Khoa học tự nhiên

Khung kim loại - hữu cơ giúp biến đổi một hóa chất thành hóa chất khác (30/05/2014)

Những đo lường được thực hiện tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) cho thấy lý do tại sao một vật liệu được biết rất tốt để tách các thành phần của khí đốt tự nhiên còn có thể làm một điều gì đó phức tạp hơn: giúp chuyển đổi một hóa chất thành hóa chất khác, một quá trình được gọi là xúc tác. Phát hiện này là một ví dụ hiếm hoi của loại vật liệu được tạo ra trong phòng thí nghiệm dễ dàng thực hiện một nhiệm vụ mà sinh học thường đòi hỏi một loạt các bước phức tạp để thực hiện.

Vật liệu này là một khung kim loại-hữu cơ (MOF), một trong những chất có độ xốp, diện tích bề mặt cao và điều chỉnh được, làm cho chúng có triển vọng trong nhiều ứng dụng như lưu trữ khí và dẫn thuốc. MOF dựa trên sắt Fe-MOF-74, được tạo ra trong phòng thí nghiệm của Jeffrey Long, một giáo sư hóa học tại Đại học California Berkeley.

Hai năm trước đây, Fe-MOF-74 được biết là có thể tách một cách hiệu quả các thành phần của khí đốt tự nhiên, lần này các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Neutron (NCNR) của NIST đã thấy khả năng của nó kích thích phản ứng, có nghĩa là đẩy nhanh hoặc cho phép diến ra phản ứng hóa học của hai vật liệu khác. Trong trường hợp này, họ biến đổi etan, một thành phần của khí tự nhiên, thành ethanol, một thành phần của rượu vodka. Nhóm nghiên cứu biết rằng sắt trong MOF có thể thay đổi từ sở hữu một số lượng điện tử sang một số lượng điện tử khác.  

"Một trong những mục tiêu lớn và lâu dài của sinh hóa là tạo nên những thứ với chức năng cụ thể theo quá trình từ dưới lên," Craig Brown nói. "Thật khó để làm ra những thứ một cách đơn giản giống như tự nhiên, bởi vì tự nhiên thường biến đổi một chất này thành chất khác theo cách vô cùng phức tạp. Nhưng với việc MOF có thể bắt chước tác động của thiên nhiên, chúng ta có thể có thể làm điều tương tự, nhưng ở ngay trong phòng thí nghiệm và dễ dàng hơn nhiều".

Mặc dù MOF xúc tác phản ứng cực tốt, nhưng nhóm nghiên cứu vẫn không chắc chắn lý do tại sao. Quá trình tìm kiếm câu trả lời đã dẫn đến hai phát hiện (mang tính kỹ thuật) tại NCNR: tầm quan trọng của sắt của MOF đối với xúc tác và lý do chất oxy hóa hoạt động tốt như vậy.

Khả năng của sắt có thể thay đổi số electron của nó là chìa khóa để tạo ra một quá trình xúc tác có hiệu suất cao. Khi nhóm nghiên cứu thay thế magiê cho 10% sắt trong MOF, phản ứng sinh ra lượng ethanol ít hơn 40%. Máy đo nhiễu xạ neutron của NCNR giúp làm rõ lý do tại sao và họ cũng cho thấy chất oxy hóa - oxit nitơ, một phân tử lệch với oxy ở một đầu và hai nguyên tử nitơ ở đầu kia - phải kết nối đầu oxy của nó với sắt trong MOF để cho xúc tác xảy ra.

Brown cho biết việc khám phá ra hành vi xúc tác trong vật liệu này có thể tiết lộ những cách khác sử dụng MOF bắt chước những gì sinh học có thể làm. "Chúng tôi hy vọng sẽ biết nhiều về khả năng phản ứng của vật liệu này và có thể cả thiết kế, tổng hợp và các hoạt động xúc tác của MOF khác", ông nói.

Nguồn: www.vista.vn (Theo Scitedaily)