Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Nghiên cứu phát triển bền vững 'nano-mâm xôi' để trung hòa độc tố carbon monoxide (24/12/2018)

Các nhà khoa học từ Viện Công nghệ Nagoya (NITECH) ở Nhật Bản đã phát triển một phương pháp bền vững để trung hòa cacbon monoxit (CO) - một loại khí độc không màu, không mùi, là sản phẩm của sự đốt cháy hông đầy đủ của nhiên liệu như khí tự nhiên, than đá hoặc gỗ. Khói xả từ các phương tiện giao thông là một nguồn chính của carbon monoxide. Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố trên trang bìa tạp chí Nanomaterials.

Tổng hợp các hạt oxit coban với cấu trúc nano phức tạp, ba chiều, hình quả mâm xôi thông qua xử lý thủy nhiệt. Natri sunfat có chức năng như các phối tử bắc cầu để thúc đẩy quá trình tự lắp ráp và ngăn chặn sự phát triển của hạt. Cấu trúc nanô bề mặt có trật tự và phức tạp với đường kính 7-8nm cho thấy sự ổn định cấu trúc tốt và hoạt tính cao trong phản ứng oxy hóa CO. Ảnh: NITech

Thông thường, các nhà khoa học sử dụng một chất xúc tác như kim loại quý hiếm và đắt tiền để chuyển đổi cacbon monoxit (CO) thành cacbon dioxit (CO₂) và dễ dàng tiêu tan vào bầu khí quyển. Mặc dù đặc tính của kim loại quý hiếm là có cấu trúc mang tính ổn định cao trong những điều kiện nhiệt độ khác nhau, nhưng đó là một nguồn tài nguyên vô giá và hữu hạn nên các nhà nghiên cứu đã và đang nỗ lực tìm kiếm một giải pháp thay thế.

Mới đây, một nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Teruaki Fuchigami tại NITech dẫn đầu đã phát triển một hạt phân tử nano có hình dáng giống quả mâm xôi có khả năng tăng cường oxy hóa tương tự, từ đó, carbon monoxit thu được thêm một nguyên tử oxy và mất độc tính mạnh nhất.

GS. TS. Fuchigami, tại Khoa Khoa học Đời sống và Hóa học Ứng dụng tại NITech và là tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng các hạt nano có hình quả mâm xôi đạt được độ ổn định cấu trúc cao và khả năng kiểm soát phản ứng hiệu quả ngay cả trong cấu trúc bề mặt nano”. 

Cũng theo TS. Fuchigami, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng các hạt có cấu trúc tuy rất phức tạp nhưng lại có tính ổn định, trật tự cao. Một phân tử nano đơn lẻ có cấu trúc đơn giản cũng có khả năng oxy hóa CO, nhưng nó sẽ không hoạt động một mình mà kết hợp với các hạt đơn lẻ khác. Những hạt này khi kết hợp chặt chẽ với nhau sẽ mất đi khả năng oxy hóa, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ tăng cao của động cơ hoặc nồi hơi.

Các hạt nano xúc tác với cấu trúc ba chiều đơn và phức tạp (3-D) có thể đạt được cả độ ổn định cấu trúc cao và hoạt tính xúc tác cao, tuy nhiên, việc sản xuất các hạt này bằng các phương pháp thông thường không hề đơn giản. Tiến sĩ Fuchigami và nhóm của ông đã nghiên cứu giải pháp kiểm soát không chỉ kích thước của hạt mà còn là cách thức chúng tương tác, kết hợp với nhau. Họ sử dụng các hạt nano oxit coban, một loại kim loại quý hiếm có khả năng oxy hóa tốt nhưng cuối cùng sẽ kết hợp chặt chẽ với nhau và trở nên bất hoạt.

Nhóm đã sử dụng các ion sulfate cho quá trình hình thành hạt oxit coban. Các ion sulfate giữ các hạt, tạo ra một cây cầu liên kết hóa học. Được gọi là phối tử, cây cầu này có nhiệm vụ giữ cho các hạt nano liên kết chặt chẽ với nhau, đồng thời, ức chế sự phát triển thành nhóm dẫn đến nguy cơ mất hoạt tính xúc tác.

Kết quả là các hạt có hình dáng trông giống như một quả mâm xôi, trong đó, các tế bào nhỏ gắn kết với nhau thành một khối lớn hơn tất cả các bộ phận của nó.

"Hiện tượng liên kết chéo hai vật chất đã được hình thành trong lĩnh vực nghiên cứu khung kim loại hữu cơ, nhưng, có thể nói đây là báo cáo đầu tiên ghi nhận hiện tượng này xảy ra đối với các hạt nano oxit. Ảnh hưởng của cầu phối tử liên kết đối với sự hình thành các hạt nano oxit sẽ rất hữu ích để xây dựng lý thuyết tổng hợp cho các cấu trúc nano phức tạp 3-D", Tiến sĩ Fuchigami nói về cấu trúc nano hình quả mâm xôi.

Cấu trúc nano bề mặt độc đáo của các hạt phân tử hình quả mâm xôi vẫn ổn định ngay cả trong quá trình phản ứng xúc tác khắc nghiệt, nhờ đó, cải thiện hoạt tính oxy hóa CO trong điều kiện nhiệt độ thấp.

Ngoài ra, nhóm cũng lên kế hoạch khám phá cấu hình ổn định và linh hoạt nhất cho xúc tác hóa học và các ứng dụng khác.

Tiến sĩ Fuchigami và nhóm của ông cho biết sẽ tiếp tục nghiên cứu vai trò của các phối tử liên kết nhằm việc kiểm soát chính xác khía cạnh kích thước và hình thái học trong thiết kế vật liệu nano.

Nguồn: P.K.L (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 30/11/2018