Giải bài toán đánh đổi trong sản xuất methanol từ CO₂
Việc chuyển CO₂ thành methanol từ lâu bị giới hạn bởi sự đánh đổi giữa tốc độ phản ứng và độ chọn lọc sản phẩm. Các nhà khoa học Trung Quốc vừa đề xuất một hướng tiếp cận mới nhằm vượt qua thách thức này.
CO₂ không chỉ là một trong những khí nhà kính quan trọng mà còn được xem là nguồn carbon tiềm năng cho ngành công nghiệp hóa chất. Trong số các sản phẩm có thể tạo ra từ CO₂, methanol được đặc biệt quan tâm nhờ vai trò là nguyên liệu đầu vào cho nhiều ngành công nghiệp và tiềm năng trở thành nhiên liệu carbon thấp trong tương lai.
Tuy nhiên, việc chuyển hóa CO₂ thành methanol hiệu quả vẫn là một thách thức đối với các nhà khoa học. Nguyên nhân nằm ở sự đánh đổi kéo dài nhiều thập kỷ giữa hoạt tính và độ chọn lọc của xúc tác.
Ở nhiệt độ thấp, phản ứng tạo methanol diễn ra thuận lợi hơn về mặt nhiệt động học nhưng CO₂ lại khó được kích hoạt, khiến hiệu suất phản ứng thấp. Ngược lại, khi tăng nhiệt độ để thúc đẩy phản ứng, một quá trình cạnh tranh gọi là phản ứng chuyển đổi khí nước ngược (reverse water-gas shift) lại diễn ra mạnh hơn, tạo ra carbon monoxide (CO) và làm giảm lượng methanol thu được.
Mới đây, nhóm nghiên cứu tại Viện Vật lý Hóa học Đại Liên, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã phát triển một hệ xúc tác mới nhằm giải quyết bài toán này.
Thay vì tập trung tối ưu toàn bộ phản ứng trên cùng một vị trí hoạt tính như các thiết kế truyền thống, nhóm nghiên cứu lựa chọn cách tiếp cận khác: phân tách các bước phản ứng trên những vị trí riêng biệt của xúc tác.
Để thực hiện điều này, các nhà khoa học đã xây dựng một cấu trúc dựa trên cơ chế tương tác mạnh giữa kim loại và chất mang (Strong Metal-Support Interaction - SMSI). Thiết kế mới cho phép các phân tử CO₂ chủ yếu được hấp phụ và hoạt hóa trên các vị trí zirconia (ZrO₂), từ đó thúc đẩy phản ứng theo cơ chế tạo formate - một con đường thuận lợi hơn cho quá trình tổng hợp methanol.
Điểm đáng chú ý là trình tự phản ứng cũng được thay đổi. Trong các hệ xúc tác đồng (Cu) truyền thống, phản ứng thường bắt đầu bằng việc phá vỡ liên kết C=O trước khi diễn ra các bước hydro hóa. Với thiết kế mới, quá trình hydro hóa được ưu tiên thực hiện trước trên các vị trí zirconia, sau đó mới diễn ra các bước phản ứng tiếp theo.
Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ xúc tác mới đạt năng suất khoảng 1,2 gam methanol trên mỗi gam xúc tác trong một giờ ở điều kiện 300°C và áp suất 3 MPa. Hiệu suất này cao gấp khoảng ba lần so với các hệ xúc tác Cu/Zn/Al thương mại hiện đang được sử dụng phổ biến.
Trong bối cảnh công nghệ thu giữ và tái sử dụng carbon ngày càng được quan tâm, những tiến bộ trong thiết kế xúc tác được kỳ vọng sẽ góp phần thúc đẩy quá trình chuyển hóa CO₂ thành các sản phẩm có giá trị cao. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn carbon mà còn mở rộng cơ hội phát triển các chuỗi sản xuất nhiên liệu và hóa chất theo hướng phát thải thấp hơn trong tương lai./.
