Chất xúc tác giúp sản xuất metanol trực tiếp từ khí carbonic

Mới đây các nhà khoa học đã khám phá ra một xúc tác mới có thể giúp sản xuất methanol sạch từ khí carbon dioxit (khí CO₂) với giá thành thấp.

Các nhà khoa học đã phát hiện thấy một cách chuyển hóa carbon dioxit thành metanol bằng một phương pháp sản xuất sạch, chi phí thấp. Metanol là thành phần chính trong một loạt các loại sản phẩm như: chất dẻo, chất kết dính và các dung môi, và metanol cũng là một loại nhiên liệu đầy hứa hẹn cho giao thông vận tải. Các nhà khoa học đã kết hợp lý thuyết và thực nghiệm để xác định một xúc tác niken-gali mới có thể chuyển hóa khí hydro và khí CO₂ thành metanol mà quá trình này có ít sản phẩm phụ hơn so với quá trình sản xuất metanol sử dụng các xúc tác thông thường.

Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã phát hiện ra, một phương pháp chuyển hóa carbon dioxit thành metanol chi phí thấp và sạch hơn so với phương pháp truyền thống. Họ là các nhà khoa học thuộc trường Đại học Stanford, phòng thí nghiệm SLAC National Accelerator Laboratory và Trường đại học Công nghệ của Đan Mạch, đã kết hợp lý thuyết và thực nghiệm nhằm nhận biết một xúc tác niken – gali mới có thể chuyển hydro và carbon dioxit thành metanol. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Nature Chemistry hôm 2/3/2014.

“Metanol được tổng hợp trong các nhà máy khổng lồ ở áp suất rất cao, sử dụng khí hydro, khí CO₂ và khí CO từ khí thiên nhiên”, tác giả chính của nghiên cứu, ông Felix Studt, nhân viên tại phòng thí nghiệm SLAC cho biết. “Chúng tôi đang tìm kiếm các chất có thể tạo ra metanol từ các nguồn sạch dưới điều kiện áp suất thấp, cùng đó phát thải ra lượng khí CO thấp”.

Các tác giả cho biết thêm, mục đích cuối cùng của nghiên cứu là nhằm phát triển một quá trình sản xuất quy mô lớn không gây ô nhiễm và carbon trung tính (carbon neutral) sử dụng hydro sạch.

“Hãy tưởng tượng nếu chúng ta có thể tổng hợp metanol bằng cách sử dụng hydro từ các nguồn có thể tái tạo được, chẳng hạn như hydro tách ra từ nước bằng ánh sáng mặt trời, và khí carbon dioxit thải ra từ các dự án năng lượng hoặc ống khói của các ngành công nghiệp khác", đồng tác giả của nghiên cứu, một giáo sư về công nghệ hóa tại trường Stanford nói. “Thậm chí chúng ta cũng có thể muốn tạo ra các rượu bậc cao hơn, ví như rượu etanol và propanol, mà không giống như metanol, các rượu này có thể được bổ sung trực tiếp vào xăng dầu ngày nay". 

Metanol công nghiệp

Trên toàn thế giới, mỗi năm có khoảng 65 triệu tấn metanol được sản xuất để sử dụng trong chế tạo các loại sơn, chất dẻo, keo dán và các sản phẩm khác. Trong một nhà máy metanol thông thường, khí tự nhiên và nước được chuyển hóa thành khí tổng hợp (“synthesis gas” hay “syngas”), trong đó gồm khí CO, CO₂ và H₂. Sau đó khí tổng hợp được chuyển hóa thành metanol trong một quá trình áp suất cao sử dụng một chất xúc tác làm từ đồng, kẽm và nhôm.

“Chúng tôi đã mất rất nhiều thời gian để nghiên cứu tổng hợp và chế biến metanol công nghiệp”, Studt nói. “Chúng tôi đã mất khoảng 3 năm để phác họa ra cách thức mà các quá trình này diễn ra và nhận biết các vị trí hoạt động trên xúc tác đồng – kẽm – nhôm gây ra phản ứng tổng hợp metanol".

Sau khi Studt và các đồng nghiệp đã hiểu được quá trình tổng hợp metanol ở cấp độ phân tử, họ sẽ bắt đầu tìm kiếm một xúc tác mới có khả năng tổng hợp metanol ở áp suất thấp mà chỉ sử dụng khí hydro và khí carbonic. Thay bằng việc kiểm tra hàng hoạt các hợp chất trong phòng thí nghiệm, Studt đã nghiên cứu các xúc tác đầy tiềm năng trong một cơ sở dữ liệu được số hóa khổng lồ mà ông và đồng tác giả của nghiên cứu, Frank Abild – Pedersen, đã phát triển tại phòng thí nghiệm SLAC.

“Công nghệ này được biết đến như là một thiết kế các chất dựa trên máy tính”, Nørskov, giám đốc trung tâm SUNCAT Interface Science and Catalysis tại trường Stanford và SLAC giải thích. “Các nhà khoa học có được ý tưởng mới về các vật liệu chức năng mới hoàn toàn dựa trên tính toán của máy tính. Không có thử nghiệm hay sai lầm nào trong phòng thí nghiệm đã diễn ra trước đó. Chúng tôi dùng sự hiểu biết của mình và sức mạnh khổng lồ của máy tính để nhận biết các chất thú vị và mới mẻ, sau đó các chất này sẽ được kiểm nghiệm bằng các thí nghiệm".

Studt đã so sánh xúc tác Cu-Zn-Al với hàng ngàn các chất khác trong khối cơ sở dữ liệu khổng lồ. Ứng cử viên tiềm năng nhất xuất hiện là một hợp chất ít được biết đến gọi là niken – gali.

“Sau khi chúng tôi có được tên gọi của hợp chất này từ máy tính, vẫn rất khó để có thể kiểm tra nó”, Nørskov nói. “Chúng tôi không thực hiện các thí nghiệm ở đây, vì vậy chúng tôi cần có cộng sự thực nghiệm thật tốt”.

Nørskov đã tìm đến một nhóm nghiên cứu tại trường Kỹ thuật của Đan Mạch dẫn đầu bởi cùng tác giả Ib Chorkendorff. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu Đan Mạch này đã thực hiện nghiệm vụ tổng hợp niken và gali thành một chất xúc tác rắn. Sau đó các nhà khoa học đã triển khai một loạt các thí nghiệm để xem liệu xúc tác mới này có thể thực sự sản xuất ra metanol ở áp suất không khí bình thường của phòng hay không.

Các kiểm tra trong phòng thí nghiệm đã khẳng định rằng kết quả do máy tính lựa chọn ở trên là chính xác. Ở các mức nhiệt độ cao, Ni – Ga đã sản sinh ra nhiều metanol hơn so với việc sử dụng xúc tác truyền thống Cu – Zn – Al, và phát sinh ít sản phẩm phụ là cacbon monoxit hơn một cách đáng kể.

“Chúng ta muốn sản xuất ra metanol, không phải là khí CO”, Chorkendorff nói. “Chúng ta cũng muốn có một xúc tác ổn định và không phân hủy. Các thí nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm đã chứng minh rằng Ni-Ga thực sự là một hợp chất như vậy, là một chất rắn rất ổn định và bền”.

Trong khi những kết quả nghiên cứu này thực sự có nhiều triển vọng thì một khó khăn lớn của nghiên cứu vẫn còn ở phía trước. “Chúng ta đều muốn làm các xúc tác này sạch hơn chút ít”, Chorkendorff bổ sung thêm. “Nếu nó chỉ chứa một vài hạt nano niken nguyên chất, sản lượng đầu ra có thể giảm một chút, vì niken nguyên chất rất tệ trong việc tổng hợp metanol. Thực tế là nó tạo ra tất cả các sản phẩm phụ hóa học mà bạn không hề mong muốn”.

Niken tương đối dồi dào, mặc dù gali đắt đỏ hơn, nhưng hiện nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử. Điều này cho thấy triển vọng chất xúc tác mới này có thể được mở rộng để ứng dụng trên quy mô công nghiệp. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cũng lưu ý, để làm cho quá trình tổng hợp metanol thực sự trở thành một quá trình carbon trung tính sẽ cần phải vượt qua nhiều rào cản khác.