Đề xuất chiến lược tách biệt vị trí hoạt động trong không gian để tổng hợp methanol hiệu quả từ carbon dioxide. Nguồn: DICP

Việc sản xuất methanol hiệu quả có thể đóng vai trò quan trọng trong việc tái chế carbon, chuyển đổi khí carbon dioxide (CO₂) thu được thành nguyên liệu hóa học và thành phần nhiên liệu hữu ích. Về nguyên tắc, phản ứng hóa học này hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ thấp, nơi việc chuyển đổi CO₂ thành methanol là thuận lợi về mặt nhiệt động học. Tuy nhiên, trên thực tế, có một trở ngại lớn: CO₂ khó bị hoạt hóa trong điều kiện ôn hòa hơn, do đó chất xúc tác thường hoạt động kém hiệu quả.

Tăng nhiệt độ giúp phản ứng diễn ra nhanh hơn, nhưng lại tạo ra một vấn đề khác. Nhiệt độ cao hơn cũng thúc đẩy phản ứng chuyển hóa khí nước ngược, chuyển hướng CO2 thành carbon monoxide thay vì methanol. Điều đó khiến các nhà nghiên cứu phải đối mặt với một sự đánh đổi quen thuộc.

Các điều kiện làm tăng hoạt tính thường làm giảm tính chọn lọc, và các điều kiện có lợi cho tính chọn lọc thường làm giảm sản lượng. Sự cân bằng này là một rào cản lớn trong việc tăng sản lượng methanol.

Một chiến lược thiết kế chất xúc tác mới

Trong một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Chem, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Jian Sun và Giáo sư Jiafeng Yu tại Viện Vật lý Hóa học Đại Liên (DICP) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) dẫn đầu, đã giới thiệu một thiết kế chất xúc tác mới. Phương pháp của họ phân tách các vị trí hoạt tính trong không gian bằng cách sử dụng cấu trúc lớp phủ được thúc đẩy bởi tương tác mạnh giữa kim loại và chất nền (SMSI), giúp cải thiện hiệu quả sản xuất methanol từ CO2.

Nhóm nghiên cứu đã định hình lại bề mặt chất xúc tác và thay đổi cách các chất phản ứng gắn kết và tách rời, cũng như cách phản ứng diễn ra. Trong điều kiện 300°C (572 °F) và 3 MPa (khoảng 435 psi), hệ thống đạt được hiệu suất không gian - thời gian là 1,2 g·g cat -1 ·h -1. Hiệu suất này cao hơn khoảng ba lần so với các chất xúc tác Cu/Zn/Al thương mại tiêu chuẩn.

Cách thức thay đổi đường phản ứng 

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng thiết kế của họ hướng CO2 hấp phụ và hoạt hóa chủ yếu trên zirconia (ZrO2), điều khiển quá trình hình thành methanol thông qua con đường formate.

Điều này khác với cơ chế thông thường trên các vị trí đồng, nơi liên kết C=O bị phá vỡ trước khi hydro hóa. Trong hệ thống mới, quá trình hydro hóa diễn ra trước trên ZrO2 , sau đó là sự phân cắt liên kết C=O. Sự thay đổi này làm giảm sự hình thành CO không mong muốn trong khi vẫn duy trì khả năng mạnh mẽ của các vị trí đồng trong việc phân tách H2 .

“Nghiên cứu của chúng tôi có thể cung cấp một hướng đi mới để giải quyết sự đánh đổi lâu nay giữa hoạt tính và tính chọn lọc trong quá trình tổng hợp methanol từ CO2”, Giáo sư Sun cho biết.