Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua quét màu cho thấy các nguyên tử và hạt nano paladi (màu trắng) trên carbon (màu lục lam). Trong chất xúc tác hiệu quả (bên trái), các hạt paladi dễ dàng nhận thấy trên bề mặt vật liệu carbon. Trong chất xúc tác hoạt động kém (bên phải), các hạt paladi bị chôn vùi trong các lỗ rỗng và do đó phần lớn không có khả năng tham gia phản ứng. Nguồn: Từ Liquid Humins: A Sustainable Carbonaceous Feedstock for Pd/C Catalysts Design With a Reduced Dead Metal Effect của Daria Chernysheva và cộng sự trong ChemSusChem (2025), e202500736 Bản quyền 2025 Wiley-VCH GmbH hoặc các công ty liên quan. Được sửa đổi bởi Nicolas Posunko/Skoltech PR.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một chất xúc tác palladium-on-carbon cho sản xuất thuốc, thuốc trừ sâu và nhựa, rất tiết kiệm về mặt sử dụng kim loại quý. Trong chất xúc tác mới, palladium được vận chuyển trên các hạt carbon được sản xuất từ chất thải chế biến sinh khối. Dạng carbon tái chế đó hầu như không có lỗ rỗng để kim loại hoạt động bị mất đi, vì vậy chỉ cần một phần trăm lượng palladium thông thường trong chất xúc tác công nghiệp là đủ.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí ChemSusChem và nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Skolkovo, Viện Hóa học hữu cơ Zelinsky thuộc RAS và Đại học Bách khoa Nhà nước Nam Nga Platov.
Chất xúc tác là thành phần không thể thiếu trong quá trình sản xuất nhiên liệu, polyme và thuốc. Nhiều chất xúc tác được tạo ra bằng cách lắng đọng các kim loại quý —platin, palladium, rhodium, v.v.—trên vật liệu mang, chẳng hạn như than hoạt tính.
Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây đã tiết lộ rằng có tới 98% kim loại quý trong các chất xúc tác như vậy có thể bị mắc kẹt trong các lỗ nhỏ của chất mang cacbon, khiến kim loại không thể tiếp cận được với chất phản ứng và hầu như vô dụng để xúc tác.
Vậy làm thế nào chúng ta có thể làm cho các hạt xúc tác hiệu quả hơn và loại bỏ tất cả các kim loại "chết" trong chúng? Giải pháp là sử dụng các vật liệu carbon thay thế làm chất mang không có lỗ nhỏ nhưng vẫn có diện tích bề mặt lớn và khả năng giữ các nguyên tử kim loại quý và các hạt nano tại chỗ. Tuy nhiên, các vật liệu carbon như vậy rất đắt và khó sản xuất.
Các nhà nghiên cứu Skoltech và các đồng nghiệp đã đưa ra một vật liệu mới bao gồm carbon và nitơ, có rất ít lỗ nhỏ chứa kim loại "chết". Nhờ hàm lượng nitơ cao, vật liệu mới này có khả năng giữ lại các nguyên tử kim loại hoạt động và các hạt nano trên bề mặt của nó.
Chất xúc tác paladi mà nhóm nghiên cứu tạo ra dựa trên chất mang cacbon mới có hàm lượng kim loại "chết" rất thấp và cực kỳ hoạt động trong các phản ứng ghép nối chéo và hydro hóa quan trọng trong công nghiệp, rất cần thiết cho việc sản xuất thuốc, thuốc trừ sâu và monome—những thành phần chính để sản xuất nhựa.
Việc đưa chất xúc tác mới vào sử dụng sẽ có lợi thế vượt xa việc cắt giảm chi phí tổng hợp cho nhiều sản phẩm công nghiệp. Nhờ hàm lượng palladium tổng thể thấp hơn đáng kể, chất xúc tác sẽ gây ra ít ô nhiễm palladium hơn, điều này đặc biệt quan trọng đối với dược phẩm, vì kim loại đó độc hại.
Điều thú vị là nguyên liệu để tạo ra vật liệu mang gốc carbon độc đáo, là nền tảng của chất xúc tác mới, là chất thải hữu cơ gọi là humin. Đây là sản phẩm phụ của quá trình chế biến sinh khối thực vật trong ngành công nghiệp hóa chất , có tất cả các đặc tính phù hợp và hàm lượng carbon đủ cao, cho phép các nhà nghiên cứu phát triển một cách đơn giản để tổng hợp vật liệu mang giàu nitơ của họ .
Chất xúc tác thu được có hiệu suất vượt trội hơn hầu hết các chất xúc tác paladi trên cacbon được sản xuất từ chất thải chế biến sinh khối trước đây trong các phản ứng mà các nhà nghiên cứu xem xét.
Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu từ Skoltech, Đại học Bách khoa Nam Nga Platov, Đại học MISIS, Viện Hóa học hữu cơ Zelinsky của RAS và Viện xúc tác Boreskov của UB RAS.
Bình luận