Khoa học tự nhiên

Tìm ra chất xúc tác giá rẻ và sạch hơn để đốt cháy mêtan (23/08/2012)

Các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Pennsylvania cùng với các cộng sự từ Ý và Tây Ban Nha đã chế tạo được một vật liệu xúc tác đốt cháy mêtan có hiệu quả hơn 30 lần so với các chất xúc tác hiện có.

Phát hiện này mở đường cho việc khai thác trọn vẹn hơn năng lượng từ mêtan, có tiềm năng giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh mẽ này từ các phương tiện chạy bằng khí thiên nhiên. Chất xúc tác mới cũng sẽ cung cấp một phương pháp sạch hơn và giá rẻ hơn để sản xuất năng lượng từ việc đốt cháy chất xúc tác trong các tua bin khí.

Ông Raymond J. Gorte, Russell Pearce và GS Elizabeth Crimian Heuer tại Khoa Kỹ thuật hóa chất và phân tử sinh học cho rằng thật khó khăn để tìm ra các vật liệu đủ hoạt tính và đủ ổn định để chịu được các điều kiện khắc nghiệt của quá trình đốt cháy mêtan.

Các chất xúc tác là vật liệu thúc đẩy sự biến đổi hóa học với tốc độ nhanh, dễ dàng, tiết kiệm năng lượng và thường an toàn hơn. Ví dụ, bộ chuyển đổi xúc tác của xe ô tô biến đổi khí thải thành các sản phẩm không độc hại. Tuy nhiên, các chất xúc tác hiện có để đốt cháy mêtan lại không cháy hoàn toàn, do đó, để mêtan không cháy hết thoát vào khí quyển góp phần gây biến đổi khí hậu. 

Ngoài ra, các chất xúc tác thông thường này có thể đòi hỏi nhiệt độ cao lên tới 600-700^oC để thúc đẩy các phản ứng di chuyển theo chiều dọc. Tuy nhiên, bản thân các chất xúc tác thường bị mất hiệu quả hoặc ngừng hoạt động khi tiếp xúc với nhiệt độ cao do quá trình đốt cháy mêtan tạo ra.

Tác hại môi trường bổ sung có thể xảy ra khi mêtan được sử dụng để sản xuất năng lượng trong tua bin khí. Trong quá trình này, mêtan thường được đốt cháy ở nhiệt độ rất cao vượt quá 800^oC. Khi mức nhiệt đó tăng đến khoảng 1.300^oC hoặc cao hơn, phản ứng có thể sản sinh ra các sản phẩm phụ có hại, bao gồm oxit nitơ, oxit lưu huỳnh và cacbon monoxit.

Các chất xúc tác thông thường để đốt cháy mêtan bao gồm các hạt nano kim loại và đặc biệt là palladium (Pd) lắng đọng trong các oxit như xeri oxit (CeO₂). Để điều chỉnh phương pháp đó, các nhà nghiên cứu thay vì sử dụng phương pháp dựa vào các hạt nano tự lắp ráp. Đầu tiên, họ tạo ra các hạt palladium có đường kính chỉ 1,8 nanomet và sau đó bao quanh các hạt này bằng một lớp vỏ xốp bảo vệ được làm từ oxit xeri, tạo ra một tập hợp các cấu trúc hình cầu có lõi kim loại.

Vì các hạt nhỏ như thế này có xu hướng chụm lại với nhau khi bị đốt nóng và vì các khối hạt này có thể làm giảm hoạt tính của chất xúc tác, do vậy, nhóm nghiên cứu đã đặt chúng trên một bề mặt kỵ nước được cấu thành từ oxit nhôm để đảm bảo rằng chúng được phân bố đều. Gorte cho rằng các kỹ thuật này phổ biến trong cộng đồng công nghệ nano, nhưng đây là phương pháp mới để sản xuất các vật liệu chất xúc tác.

Kiểm tra hoạt tính của vật liệu, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng cấu trúc nano lõi-vỏ có hiệu quả hơn 30 lần so với các chất xúc tác đốt cháy mêtan hiện có khi sử dụng cùng một lượng kim loại. Nó đốt cháy hoàn toàn mêtan ở nhiệt độ 400^oC. Chất xúc tác mới góp phần kiểm soát ô nhiễm từ khí thải ô tô và thậm chí có thể cải thiện hiệu suất của các tua bin khí.

Các nhà nghiên cứu lập kế hoạch nghiên cứu sâu hơn cấu trúc của chất xúc tác mới để tìm hiểu rõ lý do tại sao nó hoạt động rất hiệu quả. Và họ sẽ sử dụng những phương pháp tương tự để tạo ra vật liệu mới cho thử nghiệm.

Nguồn: NASATI