Chất xúc tác hiệu quả để sản xuất oxy cho quá trình tổng hợp nhân tạo

Các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, Bộ Năng lượng Mỹ và Viện Khoa học phân tử Nhật đang cố gắng mô phỏng một phần của quá trình quang hợp tự nhiên phức tạp nhằm sản xuất ra những nguồn năng lượng không gây ô nhiễm như hydro để dùng trong những pin năng lượng.

Vào ngày 10 tháng 3 năm 2008, trên ấn bản trực tuyến của Inorganic Chemistry có diễn đàn về “Sản xuất Oxy”, các nhà khoa học báo cáo họ có thể mô phỏng "sự xúc tác oxy hóa nước” xảy ra trong quang hợp tự nhiên.

Oxy hóa nước, một bước trong quang hợp, là một phần của sự tách nước – tách nước thành hydro và oxy, một quá trình rất phức tạp. Tách nước đòi hỏi một lượng lớn năng lượng từ ánh sáng mặt trời và các chất xúc tác kim loại để kích hoạt những phân tử nước bền vững. Quá trình này xảy ra theo hai phản ứng “nửa” riêng biệt: oxy hóa nước sinh ra oxy và cùng với các proton và electron, những proton và electron sau đó hình thành các phân tử hydro.

Hai nhà khoa học thuộc Brookhaven James Muckerman (trái) và Etsuko Fujita. (Ảnh: Physorg)

Theo nhà hóa học của Brookhaven James Muckerman, đồng tác giả của công trình: “Phản ứng oxy hóa nước thường được cho là một tiến trình “hạn chế” nghĩa là nếu nó không được xúc tác hiệu quả, nó sẽ giới hạn quá trình sản xuất hydro. Và không thể duy trì sự sản xuất hydro mà không có các proton và electron sinh ra từ oxy hóa nước. Vì vậy, để tạo ra hydro từ nước để dùng trong những pin năng lượng, chúng ta phải giải quyết được vấn đề tạo ra sự oxy hóa nước hiệu quả nhưng ít tốn kém.”

Nhà hóa học Brookhaven Etsuko Fujita giải thích sự hợp tác của nhóm Brookhaven với các nhà khoa học Nhật Koji Tanaka và Tohru Wada, những người khám phá ra chất xúc tác mới đầy hứa hẹn cho quá trình oxy hóa nước vào năm 2001. “Chúng tôi đang kết hợp những công trình lý thuyết lẫn thực tiễn để quyết định làm cách nào phức hợp Ruthenium với những phân tử quinine xúc tác hiệu quả quá trình oxy hóa nước để hình thành oxy.”

Để đạt được phản ứng oxy hóa nước này, Tanaka và Wada giữ cố định chất xúc tác ruthenium trên một điện cực, đặt vào một dung dịch chứa nước, cho một dòng điện chạy qua. Kết quả là tốc độ oxy hóa cho ra oxy nhanh hơn. Nhóm nghiên cứu bao gồm cả Dmitry Polyansky của Brookhaven, tiếp tục hợp tác trong những công trình sâu hơn nhằm hiểu được chi tiết về cách thức hoạt động của chất xúc tác.

Các nhà khoa học đã phát hiện khi proton từ hai phân tử nước được tách ra bởi phản ứng acid trong dung dịch, 4 electron được chuyển thành vùng nhận của chất xúc tác. Một khi tất cả các proton được tách rời, tính toán lý thuyết tiên đoán một liên kết oxy-oxy được hình thành.

Điều khiến cho chất xúc tác này “mới” là trong phần lớn cách chất xúc tác hợp chất kim loại, những vùng electron nhận nằm trên phân tử kim loại, nhưng trong phức hợp ruthenium vùng nhận nằm trên các phân tử quione. Nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết và thực tiễn cần được thực hiện để hiểu hoàn toàn và cải thiện cơ chế của những chất xúc tác chứa quinone.

Lợi ích

Sản xuất ra hydro từ nước sẽ đem lại nhiều lợi ích so với những phương pháp hiện tại, bao gồm tái lập hơi nước của khí tự nhiên, quá trình này sinh ra CO₂ cùng với hydro. Nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hữu hạn hiện được dùng để điều khiển quá trình tái lập hơi nước, gây ra nhiều hơn khí CO₂ với vai trò là phụ phẩm, tất cả những điều này đều góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu. Sản xuất hydro từ việc tách nước sẽ không sinh CO₂ trong bầu khí quyển.

Thêm vào đó, hydro từ khí tự nhiên chứa CO dư, có thể “nhiễm độc” các điện cực đắt tiền trong pin năng lượng và đòi hỏi phải thay thế. Hydro sản xuất từ nước không chứa CO nên các điện cực không “nhiễm độc”. Muckerman cho biết: “Chất ruthenium trong chất xúc tác của chúng tôi vẫn còn đắt, vì vậy chúng tôi dự định tiếp tục công trình nghiên cứu với những chất xúc tác kinh tế hơn cùng với những chất kim loại cũng tiết kiệm hơn.”

Hydro sản xuất từ tách nước cũng có thể được sử dụng trực tiếp để đốt trong nền kinh tế dựa vào hydro trong tương lai.