VINACHEM

Bằng cách kết hợp thí nghiệm với các mô phỏng trên máy vi tính, các nhà khoa học Mỹ đã tìm ra những điều kiện phản ứng để phá vỡ liên kết C-H ở nhiệt độ thấp, trong khi đó sử dụng xúc tác titan rẻ tiền thay cho kim loại đất hiếm đắt tiền.

Liên kết C-H là những liên kết thường có mặt trong các hợp chất hydrocacbon no, ví dụ các loại khí thiên nhiên metan và etan. Đây là những liên kết C-H mạnh và khó phá vỡ. Trong khi đó, những hợp chất như vậy là nguyên liệu quan trọng để sản xuất olefin - những phân tử với liên kết đôi C=C và là nguyên liệu cơ bản để sản xuất vô số sản phẩm mà ngày nay đang có mặt ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta như các chất dẻo, polyme dẫn điện và cả dược phẩm,…

Hiện nay, olefin được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch thông qua quy trình crăcking bằng hơi nước, tiêu tốn nhiều năng lượng và gây ô nhiễm môi trường. Những quy trình crăcking bằng hơi nước như vậy đòi hỏi phải vận hành ở 800oC và tạo ra những lượng lớn khí gây hiệu ứng nhà kính CO2. Vì vậy, các nhà khoa học trên khắp thế giới đang tích cực tìm kiếm những quy trình thay thế khác với những lợi ích về mặt kinh tế và môi trường so với quy trình crăcking bằng hơi nước.

Vừa qua, một nhóm nghiên cứu tại Trung tâm xúc tác hydrocacbon thuộc Viện Khoa học cơ bản (Mỹ) hợp tác với các nhà nghiên cứu tại ĐHTH Pennsylvania đã hoàn thành một phản ứng mà trước đây không thể được thực hiện: Họ đã chuyển hóa những hợp chất metan và etan khó phản ứng thành olefin ở nhiệt độ thấp (75^oC) với xúc tác sẵn có và rẻ tiền. Kết quả của nghiên cứu này có thể mở đường cho việc sử dụng có hiệu quả nguyên liệu khí thiên nhiên để tổng hợp các sản phẩm hóa chất quan trọng.

Phương pháp sản xuất olefin nói trên dựa trên quá trình khử hydro để tạo thành các liên kết C=C. Do năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết C-H rất cao, nên phản ứng chỉ có thể được thực hiện nhờ sự trợ giúp của chất xúc tác. Từ trước đến nay, phản ứng khử hydro chỉ có thể được thực hiện với những chất xúc tác làm từ các kim loại quý hiếm và đắt tiền như iriđi.

Các nhà khoa học nói trên đã tìm được phương pháp sản xuất olefin với chi phí thấp nhờ kết hợp giữa hóa học trong phòng thí nghiệm với hóa học trên máy vi tính. Bằng cách mô phỏng toàn bộ quá trình phản ứng, các nhà hóa học tại Viện Khoa học cơ bản đã tư vấn cho các đồng nghiệp của mình tại ĐHTH Pennsylvania về việc thử nghiệm xúc tác rẻ tiền với thành phần chính là titan.

Một tác giả của công trình nghiên cứu cho biết, họ đã chuyển từ iriđi quý hiếm và đắt tiền sang nguyên liệu titan rẻ hơn nhiều, hiện đang được sử dụng rộng rãi làm bột màu trong sản xuất đồ sứ, giấy và thuốc làm trắng răng. Mô phỏng bằng máy vi tính đã dự báo sự dịch chuyển của từng điện tử và sự tương tác giữa các phân tử, nhờ đó đã giúp các nhà khoa học rút ngắn thời gian nghiên cứu.

Nghiên cứu nói trên chứng minh rằng có thể sản xuất olefin bằng phương pháp rẻ tiền, ít tiêu hao năng lượng và ít gây ô nhiễm môi trường hơn. Phản ứng có thể được thực hiện ở nhiệt độ phòng và chất xúc tác titan sẽ được tái chế một phần để sử dụng lại cho các quá trình khử hydro tiếp theo.

HS

Theo Nature Chemistry, 6/2017