VINACHEM

Enzym đóng vai trò quan trọng đối với toàn bộ cuộc sống trong vũ trụ và cũng là nền tảng của công nghiệp hóa chất do chất xúc tác sinh học này giúp tăng và giảm tốc độ các phản ứng hóa học trong cơ thể sống cũng như trong sản xuất hóa chất. Tuy nhiên, trải qua nhiều thập niên nỗ lực nghiên cứu các nhà hóa học vẫn chưa thành công trong việc tạo ra phiên bản tổng hợp của enzym tự nhiên với những tính chất và hiệu quả tương tự.

Nay các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford (Mỹ) cuối cùng đã tạo ra enzym nhân tạo có thể hoạt động tốt như enzym tự nhiên. Đây là bước đột phá mang lại lợi ích cho tất cả các lĩnh vực công nghiệp hóa chất, có thể giúp sản xuất hóa chất với chi phí thấp hơn và thân thiện môi trường hơn.

Nhóm nghiên cứu đã bắt đầu bằng cách tập trung vào một phản ứng xúc tác tương đối đơn giản, đó là chuyển hóa CO độc hại và O₂ thành CO₂. Mục đích của nghiên cứu này là tìm xem chất xúc tác nhân tạo có thể hoạt động tương tự như enzym khi tăng tốc độ phản ứng và kiểm soát quá trình tạo ra CO₂.

Quan sát các enzym protein tự nhiên có chứa các vi lượng kim loại, các nhà khoa học đã sử dụng kim loại quý palađi làm cơ sở của thí nghiệm. Sử dụng palađi ở dạng tinh thể nano, họ đưa nó vào các lớp polyme xốp và thay đổi điều chỉnh để có những tính chất xúc tác đặc biệt.

Chất xúc tác thu được được đặt trong thiết bị phản ứng dạng ống với dòng O₂ và CO không đổi. Khi gia nhiệt đến ống này đến 150^oC, chất xúc tác bắt đầu tạo ra sản phẩm mong muốn là CO₂.

Kết quả khảo sát bằng tia X quang năng lượng cao cho thấy, chất xúc tác mới có những đặc điểm tương tự như enzym: tinh thể palađi dạng nano bên trong chất xúc tác phản ứng liên tục với O₂ và CO, tạo ra CO₂. Khi các lớp polyme polyme nạp đầy CO₂ thì phản ứng dừng lại. Đây là điều quan trọng, vì enzym cũng hoạt động tương tự như vậy. Khi enzym tạo ra quá nhiều sản phẩm, nó sẽ ngừng hoạt động, vì lượng sản phẩm mới không còn cần thiết nữa.

Như vậy, các nhà hóa học Stanford đã cho thấy họ có thể điều chỉnh quá trình tạo ra CO₂ bằng cách kiểm soát thành phần hóa học của các lớp polyme.

Dựa trên kết quả nghiên cứu đó, các nhà nghiên cứu dự định sẽ phát triển chất xúc tác nhân tạo có khả năng hỗ trợ một loại phản ứng hữu ích hơn nhiều, đó là chuyển hóa metan thành metanol.

Hiện nay, metanol được sản xuất bằng quy trình hai bước, bắt đầu bằng cách gia nhiệt khí thiên nhiên lên 1000^oC. Quá trình này không chỉ tiêu hao nhiều năng lượng, mà còn sinh ra rất nhiều khí CO₂, góp phần gây ra biến đổi khí hậu toàn cầu.

Nếu chất xúc tác nhân tạo cho phép chuyển hóa metan trực tiếp thành metanol, nhiệt độ cần thiết cho phản ứng này sẽ thấp hơn nhiều và lượng sản phẩm phụ CO2 sinh ra cũng giảm nhiều. Mục đích của các nhà khoa học Stanford là chế tạo chất xúc tác hoạt động tương tự metan monooxoygenase - enzym tự nhiên mà một số loại vi khuẩn sử dụng để chuyển hóa metan. Đặc điểm quan trọng nhất của chất xúc tác này là cho phép chuyển hóa metan thành metanol ở nhiệt độ không cao.

HS

Theo ChemicalsTechnology, 8/2019