Khử hydro propane (propane dehydrogenation) là một phương pháp công nghiệp quan trọng để sản xuất propylene mà không phụ thuộc trực tiếp vào dầu mỏ. Tuy nhiên, phần lớn các quy trình hiện nay vẫn dựa nhiều vào các chất xúc tác kim loại quý, đặc biệt là các hệ sử dụng bạch kim. Việc tìm kiếm những lựa chọn thay thế hiệu quả từ các kim loại phổ biến và dồi dào trong tự nhiên vẫn là một thách thức lớn.

Tổng hợp chất xúc tác CoS-1 hiệu suất cao

Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Catalysis, nhóm của Giáo sư Jianping Xiao tại Viện Hóa lý Đại Liên (DICP), thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cùng các cộng sự đã phát triển một chất xúc tác zeolit cobalt hiệu suất cao mang tên CoS-1 bằng phương pháp tổng hợp thủy nhiệt.

Hình: (scitechdaily.com)

Chất xúc tác này chỉ chứa các tâm cobalt ở cấu trúc tứ diện ổn định và không có các dạng cobalt kém bền. CoS-1 đạt năng suất tạo propylene 9,7 kg C₃ trên mỗi kg chất xúc tác mỗi giờ, vượt trội so với chất xúc tác công nghiệp PtSn/Al₂O₃ đang được sử dụng phổ biến.

Quá trình tổng hợp bắt đầu bằng việc tạo gel từ muối cobalt, tetraethyl orthosilicate, tetrapropylammonium hydroxide (TPAOH), urê và nước, sau đó kết tinh ở nhiệt độ 180°C. Sau bước nung để loại bỏ khuôn hữu cơ và ba lần rửa bằng axit nitric ở 80°C nhằm loại bỏ cobalt dư thừa, vật liệu thu được chỉ còn lại các tâm cobalt tứ diện ổn định.

Hiểu cơ chế xúc tác ở cấp độ nguyên tử

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tính toán lý thuyết phiếm hàm mật độ và mô phỏng động lực học phân tử ab initio để phân tích độ ổn định của các tâm hoạt động khác nhau, từ đó làm rõ cơ chế tạo nên hiệu suất cao của CoS-1.

Kết quả cho thấy khung zeolit linh hoạt giúp giảm đáng kể rào cản năng lượng của phản ứng khử hydro tại các tâm cobalt riêng lẻ do hiệu ứng entropy. Nhờ đó, phản ứng khử hydro propane diễn ra với rào cản thấp hơn so với hợp kim Pt₃Sn.

Tuy nhiên, các mô phỏng vi động học cũng chỉ ra rằng dù rào cản phản ứng thấp hơn, tốc độ phản ứng tổng thể của CoS-1 ở giai đoạn chuyển hóa ban đầu vẫn hơi thấp hơn so với Pt₃Sn. Nguyên nhân là do nồng độ propane tại các tâm cobalt riêng lẻ bị giảm — hệ quả của sự mất entropy khi phân tử khuếch tán vào các kênh zeolit.

Độ bền vượt trội theo thời gian

Một ưu điểm nổi bật của CoS-1 là độ ổn định lâu dài rất cao. Các nhà khoa học chứng minh rằng điều này xuất phát từ cơ chế hấp phụ không liên kết của propylene trong zeolit, giúp sản phẩm nhanh chóng rời khỏi bề mặt xúc tác. Quá trình này làm giảm sự hình thành cốc (coke), vốn là nguyên nhân chính khiến chất xúc tác suy giảm hoạt tính trong công nghiệp.

Phát hiện mới cho thấy CoS-1 có tiềm năng trở thành một lựa chọn thay thế đầy triển vọng cho các chất xúc tác kim loại quý trong sản xuất propylene, góp phần giảm chi phí, tăng tính bền vững và thúc đẩy phát triển các quy trình hóa dầu ít phụ thuộc vào tài nguyên khan hiếm.

(https://scitechdaily.com/)