Các nhà hóa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã thiết kế một phương pháp mới để chuyển đổi carbon dioxide (CO2) dồi dào thành formate (HCO2-), một hóa chất công nghiệp được sử dụng làm nhiên liệu, làm chất kháng khuẩn/kháng nấm, và để sản xuất dược phẩm. Phản ứng này của họ đã sử dụng một chất xúc tác có trung tâm kim loại kích hoạt bằng ánh sáng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền electron và proton cần thiết cho quá trình chuyển đổi hóa học.

Sai Puneet Desai, tác giả chính của một bài báo mô tả nghiên cứu vừa được xuất bản trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, cho biết: "Chúng tôi đang dùng một thứ có giá rẻ và dồi dào như CO2 và thêm electron cùng proton để chuyển đổi nó thành một thứ hữu ích".

Theo một số cách, quá trình này bắt chước quang hợp, chuỗi phản ứng mà thực vật sử dụng để chuyển đổi CO2 và nước thành đường, nguồn nhiên liệu chính của chúng. Desai nói: "Trong cả phản ứng của chúng tôi và quá trình quang hợp, việc truyền proton và electron đều được thúc đẩy trực tiếp hoặc gián tiếp bởi ánh sáng".

Andressa Müller, đồng tác giả cũng nói thêm rằng: "Chúng ta có thể nghĩ đó là việc lưu trữ năng lượng ánh sáng trong các liên kết hóa học".

So với các nỗ lực khác để chuyển đổi CO2 thành hóa chất hữu ích, phương pháp được phát triển bởi Desai, Müller và các thành viên khác của nhóm, quang hợp nhân tạo của Phòng thí nghiệm Brookhaven có một điểm khác biệt—hay đúng hơn là một phần mở rộng.

Javier Concepcion, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: "Thông thường, trong các loại chuyển đổi CO2 này, bạn cần liên kết CO2 với một trung tâm kim loại trên chất xúc tác. Điều đó có nghĩa là có những khoảng trống để các phân tử cạnh tranh khác có thể đi vào và phản ứng với kim loại, có thể dẫn đến sự phân hủy của chất xúc tác, và nó hạn chế tính chọn lọc đối với loại sản phẩm bạn có thể tạo ra".

Để kiểm soát tính chọn lọc và tránh các phản ứng phụ không mong muốn, nhóm đã bao quanh trung tâm kim loại của họ bằng các phối tử.

"Chất xúc tác giống như một bông hoa: Kim loại là trung tâm của bông hoa và các cánh hoa là các phối tử. Chúng tôi có thể điều chỉnh các đặc tính của chất xúc tác bằng các phối tử này, và tất cả quá trình hóa học diễn ra tại một trong các phối tử thay vì tại kim loại", Müller nói.

Trong cơ chế mới này, tất cả các vị trí liên kết trên kim loại đều được chiếm giữ, vì vậy kim loại được bảo vệ hoàn toàn khỏi việc tham gia vào các phản ứng phụ không mong muốn. Và bằng cách thiết kế chính xác các phối tử, các nhà khoa học có thể kiểm soát cẩn thận sản phẩm.

"Cơ chế này có tính chọn lọc cao; chỉ có formate được tạo ra. Thông thường, có sự cạnh tranh trong việc tạo ra hydro, và/hoặc carbon monoxide, và đôi khi rất khó kiểm soát sản phẩm nào bạn đang tạo ra. Nhưng để tạo ra các sản phẩm này, bạn cần các vị trí mở tại trung tâm kim loại. Trong trường hợp này, vì cơ chế dựa trên phối tử, không có cơ hội để các sản phẩm khác được tạo ra", Concepcion cho hay.

Ngoài ra, Müller lưu ý, phản ứng hóa học xảy ra trên các phối tử chứ không phải trên kim loại nên điều này có thể mở ra khả năng sử dụng các kim loại khác ở lõi của chất xúc tác.

Các nhà khoa học đã thử một phương pháp tương tự sử dụng các kim loại không đắt tiền như sắt và thấy rằng nó cũng hoạt động tốt. Họ đã dựa rất nhiều vào lý thuyết và hóa học tính toán, cả trong giai đoạn thiết kế chất xúc tác và để giúp họ hiểu toàn bộ cơ chế phản ứng của mình.

"Về cơ bản, chúng tôi đã nghiên cứu toàn bộ cơ chế bằng cách sử dụng lý thuyết hàm mật độ, một kỹ thuật tính toán sử dụng một loạt các phép tính dựa trên mật độ electron để giúp xác định các sắp xếp và tương tác có khả năng nhất của các nguyên tử", Mehmed Ertem, nhà nghiên cứu chính trong nhóm nghiên cứu chuyên về hóa học tính toán, nói thêm.

"Mô hình hóa đã tiết lộ tất cả các bước mà electron và proton được thu giữ để biến chất xúc tác thành dạng hoạt động của nó và cách chất xúc tác cuối cùng cung cấp các electron và proton này để biến CO2 thành formate".

Desai nói: "Cơ chế rất đơn giản. Nó bắt đầu với một chất nhạy quang, hấp thụ ánh sáng và hoạt động như một rơle cho các electron trong hệ thống xúc tác của chúng tôi".

Hệ thống bao gồm một phân tử hữu cơ khác gọi là organohydride, đóng góp cả electron và proton trong hai bước riêng biệt. Nghiên cứu đã phát hiện ra sự tồn tại của một "cation gốc" của organohydride, hình thành như một chất trung gian sau bước nhường electron. Chất trung gian này rất cần thiết cho việc nhường proton tiếp theo biến chất xúc tác thành dạng hoạt động của nó.

Quan trọng là, một khi electron và proton được đưa đến CO2, tất cả các thành phần của hệ thống có thể trở lại dạng ban đầu để được sử dụng lại.

"Khả năng tái chế này thực sự quan trọng vì chúng tôi muốn làm cho hệ thống này hiệu quả nhất có thể và chúng tôi không muốn tạo ra chất thải", Desai nói.

Các nhà khoa học cũng đã tiến hành các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để kiểm tra các dự đoán dựa trên lý thuyết và theo dõi các thành phần phản ứng trong thời gian thực. Một kết quả quan trọng là bằng chứng cho thấy chất trung gian cation gốc "sống sót" đủ lâu để tham gia vào phản ứng. Những kết quả này đến từ Cơ sở Tăng tốc Electron Laser (LEAF) trong Phân ban Hóa học của Phòng thí nghiệm Brookhaven, nơi kết hợp các xung electron và ánh sáng laser rất ngắn để tạo ra, kích thích và kiểm tra các loài phân tử và nguyên tử tạm thời với độ phân giải thời gian cao.

Concepcion chia sẻ thêm rằng: "Trước đây, người ta nghĩ rằng các cation gốc của các organohydride này là các loài có thời gian sống rất ngắn không thể tồn tại quá lâu. Chúng tôi đã sử dụng LEAF để chứng minh rằng chúng có thể tồn tại hàng trăm micro giây, nghe có vẻ ngắn trên các thang thời gian thông thường nhưng lại khá dài đối với hóa học".

Nhóm cũng đã sử dụng một thiết bị tia X tinh thể đơn trong Phân ban Hóa học để nghiên cứu cấu trúc của các chất xúc tác. Các kỹ thuật laser có sẵn tại Phân ban Hóa học cũng được sử dụng để hiểu tất cả các bước trong quá trình chuyển đổi CO2 thành formate.

P.T.T (NASTIS), theo https://phys.org/news/, 6/2025