Các nhà khoa học tại Đại học bang Penn và Đại học Virginia Commonwealth đã phát hiện ra cách tạo ra hydro qua việc cho những cụm nhôm tiếp xúc với nước. Những phát hiện này có vai trò quan trọng vì chúng chứng minh rằng hình học của những cụm nhôm, chứ không chỉ thuộc tính điện tử của chúng, điều khiển khoảng cách của phần hoạt động được tiếp xúc của cụm. Khoảng cách của phần được tiếp xúc của cụm đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến phản ứng của cụm đối với nước.
Phát hiện của nhóm nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science ngày 23 tháng 1 năm 2009.
A. Welford Castleman Jr., Giáo sư tại Khoa hóa học và vật lý Đại học bang Penn cho biết: “Nghiên cứu trước đây của chúng tôi cho thấy thuộc tính điện tử điều khiển mọi thứ trong những cụm nhôm, nhưng nghiên cứu mới cho thấy sự sắp xếp các nguyên tử bên trọng cụm cho phép chúng phân chia nước. Kiến thức này có thể cho phép chúng ta thiết kế những chất xúc ta mới trên quy mô nano bằng cách thay đổi sự sắp xếp các nguyên tử trọng một cụm. Những kết quả đó có thể mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới, không chỉ liên quan đến việc phân chia nước mà đồng thời phá vỡ liên kết giữa các phân tử khác”.
Nhóm nghiên cứu, bao gồm nghiên cứu sinh Patrick Roach và Hunter Woodward của Đại học bang Penn cùng giáo sư vật lý Siv Khanna và nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ Arthur Rever thuộc Đại học Virginia Commonwealth, đã nghiên cứu phản ứng của nước với những cụm nhôm riêng lẻ bằng cách kết hợp chúng dưới điều kiện được kiểm soát trong một máy phản ứng dòng chảy được thiết kế đặc biệt. Họ phát hiện rằng một phân tử nước sẽ liên kết giữa hai vị trí nhôm trong một cụm, khi một vị trí hoạt động như một axit Lewis, trung tâm tích điện dương nhận một điện tử, và vị trí còn lại hoạt động như một bazơ Lewis, trung tâm tích điện âm cho đi một điện tử. Nhôm axit Lewis liên kết với oxy trong nước và nhôm bazơ Lewis tách nguyên tử hydro ra. Nếu quá trình này xảy ra lần thứ hai với hai vị trí nhôm khác và một phân tử nước, hai nguyên tử hydro được tách ra rồi chúng có thể kết hợp để tạo thành khí hydro (H2).
| Hình ảnh cho thấy cụm nhôm phản ứng với nước để tạo ra hydro. Ảnh ở dưới thể hiện một phân tử nước (một nguyên tử oxy (màu đỏ) và hai nguyên tử hydro (màu bạc)) đang tách rời trên bề mặt của cụm nhôm. Vùng màu xanh là những vị trí axit Lewis, và vùng màu cam là vị trí bazơ Lewis. Hình ảnh phía trên bên phải cho thấy nhiều phân tử nước liên kết với vị trí hoạt động của một cụm nhôm. Hình ảnh phía trên bên trái cho thấy sự giải phóng hydro (hai quả cầu bạc bao quanh một quầng màu cam). (Ảnh: A.C. Reber, VCU/Penn State) |
Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng cụm nhôm phản ứng khác biệt khi tiếp xúc với nước, tùy theo kích thước và cấu trúc hình học của cụm. 3 cụm nhôm tạo ra hydro từ nước ở nhiệt độ phòng. Khana cho biết: “Khả năng tạo ra hydro ở nhiệt độ phòng rất có ý nghĩa vì điều đó có nghĩa rằng chúng ta không phải sử dụng sức nóng hay năng lượng để kích thích phản ứng. Những kỹ thuật truyền thống để tạo hydro từ nước thường cần đến nhiều năng lượng. Nhưng phương pháp của chúng tôi cho phép tạo ra hydro mà không cần cung cấp sức nóng, kết nối với một pin, hoặc truyền thêm điện năng. Khi cụm nhôm được tổng hợp, chúng có thể tạo ra hydro mà tùy theo nhu cầu”.
Khanna hy vọng phát hiện của nhóm nghiên cứu sẽ mở ra trang mới trong việc nghiên cứu làm thế nào những cụm nhôm có thể được táisử dụng và làm thế nào điều kiện giải phóng hydro có thể được kiểm soát. Ông nhận xét: “Có vẻ như chúng ta có thể có những phương pháp mới để tách nhóm hydroxyl (OH-) vẫn gứn với cụm nhôm sau khi chúng tạo hydro, để chúng ta có thể tái sử dụng cụm nhôm nhiều lần”.
Nhóm nghiên cứu lên kế hoạch tiếp tục công việc nghiên cứu với mục tiêu củng cố phương pháp này. Nghiên cứu do Văn phòng nghiên cứu khoa học không lực tài trợ.