Tìm ra cách ánh sáng kích hoạt chất xúc tác niken thay thế paladi đắt tiền

Một nhóm các nhà khoa học tại một số phòng thí nghiệm quốc gia của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã khám phá ra cách ánh sáng và một dạng chất xúc tác gốc niken chưa từng biết đến trước đây cùng nhau mở khóa và duy trì khả năng phản ứng. Nghiên cứu này, được mô tả trên tạp chí Nature Communications , có khả năng thúc đẩy việc sử dụng niken dồi dào thay cho palladium đắt tiền hơn trong hóa học công nghiệp.

Nỗ lực nghiên cứu hợp tác này được dẫn đầu bởi Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia (NREL) của DOE và có sự tham gia của các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC của DOE, Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven và Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, cùng nhiều tổ chức khác.

Chất xúc tác niken đã nổi lên như một sự thay thế đầy hứa hẹn cho chất xúc tác palladium trong các phản ứng hóa học quy mô công nghiệp, vì niken vừa dễ kiếm hơn vừa rẻ hơn. Niken có những ưu điểm khác: Khả năng phản ứng của nó có thể được thúc đẩy bởi ánh sáng thay vì nhiệt độ cao cần thiết cho palladium, dẫn đến các điều kiện phản ứng tổng thể nhẹ nhàng hơn, giúp mở rộng phạm vi phản ứng có thể thực hiện.

Chất xúc tác niken cũng có thể tạo điều kiện cho các phản ứng mới và chưa được chứng minh với paladi, nhưng những câu hỏi chính liên quan đến cách thức hoạt động của chất xúc tác niken được kích hoạt bằng ánh sáng này vẫn chưa có lời giải đáp cho đến nay.

Bài báo mới công bố giải thích cách ánh sáng kích hoạt chất xúc tác để cho phép nó kết hợp hai mảnh phân tử đơn giản để tạo thành một phân tử phức tạp hơn. Trong quá trình này, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một dạng trung gian mới của chất xúc tác niken giúp chất xúc tác không bị phân hủy.

"Cho đến nay, dược phẩm là lĩnh vực duy nhất đã thương mại hóa xúc tác niken điều khiển bằng ánh sáng, nhưng chất xúc tác gốc niken cũng có khả năng thay thế chất xúc tác palladium cho nhiều quy trình công nghiệp khác, bao gồm cả trong ngành nông nghiệp và sản xuất thiết bị điện tử", Max Kudisch, tác giả đầu tiên của bài báo và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại NREL cho biết. "Có một số hóa chất khối lượng rất lớn được sản xuất ở đó, nơi các phương pháp này có thể áp dụng được".

Sự chênh lệch giá giữa hai nguyên tố này là rất lớn. Một ounce niken có giá khoảng 50 xu, trong khi một ounce palladium có giá lên tới 1.000 đô la.

"Nickel thường được sử dụng kết hợp với chất nhạy sáng iridi", Matthew Bird, một nhà hóa học tại Brookhaven và là đồng tác giả của bài báo cho biết. "Nhưng khi chúng ta bắt đầu hiểu chính xác cách thức hoạt động của nó, chúng ta có thể thấy cách loại bỏ iridi, một nguyên tố hiếm như palladium, và chỉ cần có niken. Điều đó làm tăng thêm giá trị tiềm năng".

Justin D. Earley, đang chuẩn bị dung dịch niken/iridi để đo hấp thụ tia X phân giải theo thời gian tại Advanced Photon Source, đường chùm tia 11ID-D, tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne. Tín dụng: Reid Obadiah/NREL

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm với niken dihalide, hợp chất mà niken liên kết với hai ion halide như clorua, là nguồn niken chủ yếu được sử dụng trong các loại phản ứng này. Tiếp xúc với ánh sáng làm phá vỡ liên kết giữa niken và clorua, làm giảm trạng thái oxy hóa của niken và đột nhiên khiến nó phản ứng. Nhưng ion clorua được giải phóng, giờ là "gốc" clo do liên kết bị phá vỡ, không nằm im.

Trong phản ứng mà nhóm nghiên cứu, đầu tiên họ đưa ra giả thuyết và sau đó xác nhận rằng nó tương tác với dung môi. Điều này tạo ra một dạng hoạt hóa của dung môi, sau đó có thể phản ứng với niken hoạt hóa.

Điều đó hóa ra lại là một bước quan trọng và chưa từng được biết đến trước đây vì nó tạo thành một chất trung gian niken ổn định ngăn không cho các nguyên tử niken hoạt hóa tương tác trực tiếp với nhau.

Kudisch cho biết: "Việc kiểm soát lượng niken ở trạng thái oxy hóa thấp hơn trong phản ứng là điều cần thiết để ngăn chất xúc tác bị vô hiệu hóa".

Nếu chất trung gian không tồn tại, dạng niken có trạng thái oxy hóa thấp hơn sẽ tích tụ và liên kết với chính nó, tạo thành hợp chất niken không còn khả năng xúc tác phản ứng.

Thay vào đó, chất trung gian liên kết với dung môi có thể phản ứng thêm để hoàn tất quá trình liên kết các phân tử nhằm đạt được tính chất hóa học mong muốn.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để theo dõi từng bước phản ứng hóa học, cho thấy ánh sáng tác động đến phản ứng hóa học như thế nào.

Một trong những công cụ này là Cơ sở gia tốc electron laser (LEAF) thuộc Phân khoa Hóa học của Phòng thí nghiệm Brookhaven, nơi kết hợp các xung electron cực ngắn với nhiều phương pháp phát hiện quang phổ khác nhau để tạo ra và kiểm tra các loài phân tử và nguyên tử thoáng qua với độ phân giải thời gian cao.

Cấu trúc của một dạng trung gian chưa từng biết đến của chất xúc tác niken. Nguyên tử niken được tô sáng và phần phân tử được hình thành khi gốc dung môi phản ứng với niken hoạt hóa được khoanh tròn. Tín dụng: Max Kudisch dựa trên cấu trúc tinh thể tia X do ông và Rebecca Smaha/NREL xác định

Bird cho biết: "Phép phân hủy phóng xạ xung cho phép chúng tôi tạo ra các chất trung gian phản ứng để tái tạo một bước cụ thể trong cơ chế phản ứng được đề xuất để xem bước đó có thực sự xảy ra hay không".

Lakshmy Kannadi Valloli, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Brookhaven làm việc với Bird, đã sử dụng LEAF để tạo ra dạng "gốc" phản ứng của dung môi. "Sau đó, chúng tôi quan sát gốc đó phản ứng với niken và thấy được loài mà nó tạo ra", Kannadi Valloli cho biết.

Chữ ký quang phổ khớp với những gì Kudisch đã thấy khi ông chiếu sáng vào dung dịch. Điều này giúp xác nhận giả thuyết về cách ánh sáng kích hoạt chất xúc tác và cách các phản ứng tiếp theo tạo ra chất trung gian niken bảo vệ.

Các nhà khoa học tại SLAC đã mô tả thêm chất trung gian này bằng cách sử dụng tia X mạnh tại Nguồn sáng bức xạ Synchrotron Stanford (SSRL), một cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE, để hiểu cấu trúc quy mô nguyên tử của nó.

"Max tạo ra nó bằng cách chiếu ánh sáng vào nó. Chúng tôi tạo ra nó bằng phương pháp phân hủy bức xạ xung. Và sau đó các đồng nghiệp của chúng tôi tại SLAC đã xem xét nó bằng tia X", Bird cho biết.

Kudisch kết luận: "Khi kết hợp tất cả các kỹ thuật đó, chúng ta biết được cấu trúc phân tử chính xác của dạng trung gian này của chất xúc tác niken và con đường hình thành nên nó".

Sự hiểu biết về cơ chế này có thể dẫn đến các chiến lược mới để ngăn ngừa sự phân hủy chất xúc tác và kiểm soát lượng chất xúc tác niken hoạt hóa có trong phản ứng để thúc đẩy việc sử dụng chất xúc tác niken do ánh sáng điều khiển .

Ngoài bốn phòng thí nghiệm quốc gia, các nhà nghiên cứu đóng góp cho dự án còn có Đại học Northeastern và Đại học Colorado, Boulder. Các nhân viên NREL khác được liệt kê là đồng tác giả là Justin Earley, Anna Zieleniewska, Rebecca Smaha, Garry Rumbles và Obadiah Reid.

THEO PHYSICS