Tìm ra câu trả lời về chất xúc tác sau 40 năm

Israel Wachs, giáo sư hóa học và sinh học phân tử G. Whitney Snyder trường Kỹ thuật và khoa học ứng dụng P.C. Rossin trường đại học Lehigh

Trong công trình “Mechanism by which Tungsten Oxide Promotes the Activity of Supported V2O5/TiO2 Catalysts for NOX Abatement: Structural Effects Revealed by 51V MAS NMR Spectroscopy” xuất bản trên Angewandte Chemie, một tạp chí của Hội Hóa học Đức, Israel Wachs, giáo sư hóa học và sinh học phân tử G. Whitney Snyder trường Kỹ thuật và khoa học ứng dụng P.C. Rossin trường đại học Lehigh, đã miêu tả cơ chế này. Đây là những phát hiện mới sau một bài báo ông đã đăng trên chính Angewandte Chemie vào tháng 9/2019.

Các nhà máy điện là một nguồn phát thải lớn chất ô nhiễm độc hại và có mối liên hệ chặt chẽ với biến đổi khí hậu. Khi đốt các nhiên hóa thạch như than, khí thiên nhiên trong các nhà máy, chúng tạo ra ô nhiễm, cụ thể một nhóm khí gây hại là nitrogen oxides (NOx) dẫn đến mưa axít, hình thành tầng nền ozone (một chất độc có khả năng ăn mòn và gây ô nhiễm chung), và khí nhà kính.

“Quá trình đốt cháy nhiên liệu để sinh ra năng lượng cần ở mức nhiệt độ rất cao và là nguyên nhân dẫn đến phân tử nitrogen (N2) và oxy (O2) có trong không khí bị tách ra hoặc bẻ gẫy”, Wachs nói. “Các nguyên tử N và O sau đó tái kết hợp và tạo ra NOx, vốn được coi như vấn đề ô nhiễm lớn nhất hiện nay bởi rất khó kiểm soát chúng”.

Trở lại những năm 1970, người Nhật phát triển một kỹ thuật để kiểm soát NOx, những phát thải từ tương tác của NOx với amoniac để hình thành nitrogen (N2) ít nguy hiểm hơn và nước (H2O). 

“Đây là một phản ứng hóa học tuyệt đẹp, chuyển đổi những gì rất độc hại thành những thứ vô cùng tốt lành”, Wachs nói. Ông là người phụ trách Phòng thí nghiệm nghiên cứu Quang phổ phân tử và các xúc tác tại trường Lehigh. 

Các phát thải NOx hiện tại đã được xử lý và một trong những cách làm chung để giảm bớt tác hại của nó là khử xúc tác có chọn lọc (selective catalytic reduction SCR) của NOx bằng amoniac. Các xúc tác đều tăng tốc độ phản ứng SCR và kiểm soát các chất tạo thành từ phản ứng (như hình thành N2 và H2O), nghĩa là chất xúc tác đảm bảo cho phản ứng tạo ra những khí không gây hại.

Một chất xúc tác SCR được sử dụng một cách rộng rãi trong các nhà máy điện là vanadi(V) oxit được mang trên titanium ô xít (TiO2). 

“Chất xúc tác này bao gồm vanadi (V) oxit và wolfram trioxit tán sắc trên bề mặt của một chất mang titania (TiO2). Vanadi(V) oxit là một chất hoạt hóa đóng vai trò khử xúc tác có chọn lọc hướng về việc hình thành N2 và không tạo ra các chất phản ứng độc hại”, Wachs nói. “Có một cuộc tranh cãi lớn trong vòng 40 năm qua, từ chỗ bắt đầu phát triển công nghệ này cho đến làm rõ vấn đề là đích xác hợp chất wolfram trioxit làm gì trong quá trình đó?”

Cộng đồng nghiên cứu biết là wolfram trioxit bền trong điều kiện nhiệt độ cao khi có thêm titania, vốn là những chất xúc tác có thể tồn tại trong điều kiện nhiệt độ cao nhiều năm. Họ cũng biết rằng việc đưa thêm wolfram trioxit khiến cho vanadi (V) oxit thêm hoạt hóa, tuy nhiên tại sao wolfram trioxit tại có nhiều ảnh hưởng lên khả năng phản ứng của vanadi (V) oxit?

Có ba giả thiết nổi trội giải thích về vấn đề này trong nhiều năm qua, Wachs nói. Một tuyên bố wolfram trioxit có đặc tính axit, làm gia tăng phản ứng hóa học, một nói wolfram trioxit đã chia sẻ các electron với vanadi (V) oxit theo một cách nào đó. Và thứ ba chỉ ra là wolfram trioxit  đã thay đổi cấu trúc của chính vanadi (V) oxit.   

Wachs và đồng nghiệp đã dùng một thiết bị vô cùng tiên tiến mang tên quang phổ kế cộng hưởng từ hạt nhân cao chiều (High Field Nuclear Magnetic Resonance spectrometer) trong trùng hợp với các phản ứng nghiên cứu phản ứng để kiểm tra từng lý thuyết.

“Hiện mới chỉ có một vài máy quang phổ kế loại này trên thế giới, từ trường của chúng hết sức nhạy cảm, điều đó khiến các chi tiết phân tử tinh tế của những gì đang diễn ra trong vật liệu này”, ông nói.

Các chi tiết phân tử này xuất hiện như những tín hiệu mà Wachs và nhóm nghiên cứu của ông sau đó đã giải thích bằng các tính toán lý thuyết (Lý thuyết phiếm hàm nhiệt độ). 

“Nó chỉ ra rằng lượng vanadi (V) oxit ở mức rất thấp trong chất xúc tác này khiến cho vanadi (V) oxit hiện diện như các monomer”, Wachs nói. “Khi đưa thêm wolfram trioxit, vanadi (V) oxit thay đổi từ các monomer thành các oligomer hoặc polymer, vì vậy tất cả các vanadi (V) oxit hiện nay đều kết nối thành một chuỗi hoặc một “hòn đảo” trên chất mang titania. Chúng tôi thực hiện các nghien cứu độc lập và tìm thấy các oligomer của vanadi (V) oxit hoạt hóa gấp 10 lần tại các vị trí vanadi (V) oxit bị cô lập. Vì thế wolfram trioxit thực sự thay đổi cẩu trúc của vanadi (V) oxit, từ một hình thức ít hoạt hóa sang một hình thức hoạt hóa ở mức rất cao”.

Hiểu biết cơ bản về cách chất xúc tác này hoạt động như thế nào sẽ giúp hướng dẫn các thiết kế trong tương lai của xúc tác SCR cải tiến, Wachs giải thích. “Chúng ta có một cách tiếp cận khoa học để thiết kế xúc tác”.

Và sẽ có những sự phân nhánh lớn trong ngành công nghiệp và kiểm soát ô nhiễm không khí, ông nói.

“Một chất hoạt hóa mạnh mang lại lợi ích đáng kể. Nếu tính hoạt hóa cao hơn thì sẽ cần lượng xúc tác ít hơn, điều này rất có giá trị vì giá thành của chúng rất đắt. Mặt khác, nếu thời gian tồn tại của chúng dài hơn thì sẽ giảm thời gian chờ để tải chất xúc tác mới của cả nhà máy điện”.

Nhưng với Wachs, hiệu quả về sức khỏe cộng đồng là điều ý nghĩa nhất. “Thật dễ dàng nhận thấy là hàng năm có từ 40.000 đến 50.000 người tại Mỹ chết do chất lượng không khí kém. Vì vậy chất xúc tác và những vấn đề xung quanh nó sẽ có tác động rất lớn về mặt xã hội. Thật vui mừng khi chúng tôi có đủ khả năng giải quyết một vấn đề đã tồn tại tới 40 năm và điều đó sẽ góp phần cải thiện công nghệ và giải quyết nhiều vấn đề về sức khỏe.”

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-10-year-old.html