Một trong những ưu điểm hấp dẫn nhất của các chất xúc tác là chỉ cần hiệu quả cńa chúng được cải thiện nhẹ thì đã có thể mang ląi lợi nhuận rất lớn cho các nhà sản xuất. Nếu một công ty hóa chất sản xuất 500 tấn hóa chất mỗi năm thì chỉ cần hiệu quả cńa quá trình sản xuất tăng 1% cũng sẽ giúp công ty tiết kiệm hàng triệu USD.
Các chất xúc tác đóng vai trò trung tâm và thiết yêu trong công nghiệp hóa chất, chúng tham gia vào quá trình tổng hợp khoảng 80% các sản phẩm hóa chất, vì vậy các công ty thường xuyên đầu tư những khoản tiền lớn để phát triển các chât xúc tác mới và nâng cao hiệu quả của các chất xúc tác hiện có. Những ích lợi mà các hoąt động này mang ląi bao gồm từ việc giảm đáng kể chi phí của các phương pháp tổng hợp hiện tąi cho đến phát triển các quá trình hoàn toàn mới, có thể rẻ hơn nhiều hoặc thân môi trường hơn nhiều so với các phương pháp đang áp dụng. Đặc biệt, các chất xúc tác mới có thể dẫn đến việc phát triển các sản phẩm mới hoặc thậm chí mở ra cả những thị trường mới.
Làm sáng tỏ cơ chế hoąt động của xúc tác
Việc phát triển các chất xúc tác mới thường rất khó khăn, chủ yếu là do cơ chế hoąt động của chúng còn chưa được hiểu rõ. Các nhà nghiên cứu biết rằng một số chất, chẳng hąn các oxit kim loąi với những cấu hình nhất định, có thể có hiệu quả cao trong việc tăng tốc độ của các phản ứng hóa học, nhưng nguyên nhân thực sự của hiện tượng này vẫn chưa được làm sáng tỏ. Do đó,quá trình phát triển các chất xúc tác mới thường phải bao gồm nhiều bước thử nghiệm mò mẫm.
Nhưng ngày nay, mọi việc đã bắt đầu thay đổi. Sự kêt hợp giữa các kỹ thuật phân tích tiên tiến và phương pháp lập mô hình bằng máy vi tính cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn cơ chế hoąt động của các chất xúc tác. Mặt khác, một số kỹ thuật năng suât cao cũng cho phép các nhà khoa học tổng hợp, sàng lọc và thử nghiệm nhiều vật liệu xúc tác với tốc độ nhanh hơn nhiều so với trước đây. Kết quả cuối cùng là việc phát hiện các chất xúc tác mới và cải tiến các chất xúc tác hiện có, nhờ đó đã giúp các công ty hóa chất tiết kiệm rất nhiều chi phí sản xuất.
Các chất xúc tác thường bao gồm xúc tác dị thể và xúc tác đồng thể. Xúc tác dị thể hiện đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, đó thường là các chất xúc tác pha rắn trong khi các chất phản ứng ở pha khí hoặc lỏng. Các chất xúc tác đồng thể là những chất xúc tác cùng pha với các chất phản ứng, và nguyên lý chúng có hiệu quả cao hơn các chất xúc tác dị thể, vì chất xúc tác và các chất phản ứng cùng pha nên dễ dàng tương tác với nhau, trong khi đó các chất xúc tác dị thể dąng rắn chỉ có thể tương tác trên bề mặt với các chất phản ứng lỏng hoặc khí. Tuy nhiên, trên thực tế xúc tác đồng thể ít được sử dụng hơn so với xúc tác dị thể.
Trong vài thập niên qua, cơ chế của những tương tác giữa chất xúc tác và các chất phản ứng đã bắt đầu được làm sáng tỏ một cách chi tiết hơn nhiều nhę các kỹ thuật phân tích tiên tiến, ví dụ kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ (NMR), kính hiển vi truyền điện tử (TEM), kính hiển vi lực nguyên tử, hấp thụ tia X,… Những kỹ thuật này cho phép các nhà khoa học theo dõi và khảo sát toàn bộ phąm vi của các phản ứng mà chất xúc tác tham gia, đồng thời cho thấy những phần nào của chất xúc tác là quan trọng nhất đối với hoąt tính của nó.
Một trong những vấn đề gây khó khăn nhiều nhất cho việc hiểu cơ chế hoąt động của các chất xúc tác là tính phức tąp đặc biệt của chúng, nhất là các chất xúc tác dị thể. Các chất xúc tác dị thể thường gồm có nhiều hąt kim loąi khác nhau với kích thước rất nhỏ, được gắn trong một nền rắn. Nền này không chỉ có tác dụng tựa đỡ mà còn thường đóng vai trò quan trọng trong hoąt động của chất xúc tác.
Các chất xúc tác dị thể cũng thường có khả năng tăng tốc cả một loąt các phản ứng liên quan, trong khi đó chỉ có vài phản ứng trong số đó là những phản ứng cần quan tâm. Hơn nữa, những phản ứng này thường diễn ra qua một số bước, mỗi bước đòi hỏi những thời gian khác nhau.
Do bản chất dị thể của chúng nên các chất xúc tác dị thể thường có nhiều vị trí hoąt tính khác nhau, đièu này gây khó khăn đặc biệt cho việc hiểu cơ chế hoąt động của chúng. Quá trình phản ứng thường được nhiều hóa chất tham gia và chúng ta thường không biết chắc chắn những vik trí hoąt tính nào trên xúc tác sẽ dẫn đến những phản ứng mong muốn, còn những vị trí nào sẽ dẫn đến những phản ứng phụ không mong muốn. Các nhà khoa học cần phải hiẻu rõ những đặc điểm nào của xúc tác sẽ cho kết quả mong muốn, với những công cụ như trước đây của ngành hóa học thì việc này hoàn toàn không dễ dàng.
Nhưng các kỹ thuật phân tích tiên tiến ngày nay cho phép các nhà khoa học xác định những đặc điểm như vậy của xúc tác. Ví dụ, bằng cách sử dụng kỹ thuật chụp ảnh NMR hoặc TEM, các nhà khoa học đã phát hiện các hąt ruteni trên nền TiO2 có khả năng xúc tác phản ứng Fischer-Tropsch, trong đó H2 và CO được chuyển hóa thành hydrocacbon nhę tác động của các hąt ruteni bọc trong các mẫu TiO2. Khi đó, các điểm hoąt tính được tąo thành ở các chỗ giao nhau giữa các hąt ruteni này và các mẫu TiO2. Bằng cách kiểm soát phąm vi bọc phủ của TiO2, các nhà khoa học không chỉ có khả năng phát triển các chất xúc tác có hoąt tính cao hơn, mà còn có thể kiểm soát các dąng hydrocacbon được tąo ra.
Gần đây, các nhà khoa học đã phát triển các kỹ thuật cho phép họ theo dõi trong thời gian thực những phản ứng khác nhau diễn ra trên chất xúc tác. Một trong những kỹ thuật này là một dąng cải biến của phương pháp TEM, gọi là TEM động lực (DTEM), trong đó một tia laze được chiếu vào bề măkt của chất xúc tác, tiếp theo ngay sau đó là một tia điện tử, các tia này kết hợp tąo thành hình ảnh trên máy dò.
Kết quả của các nghiên cứu phân tích đối với từng chất xúc tác riêng rẽ hiện được nąp vào các mô hình trên máy vi tính, cho phep các nhà khoa học xác định đặc điểm cńa các chất xúc tác riêng rẽ một cách chi tiết hơn, đồng thời qua đó phát hiện một số quy tắc chung áp dụng đối với tất cả các chất xúc tác. Ví dụ, năm 2009 một nhóm các nhà nghiên cứu Mỹ tąi Đąi học Tổng hợp Washington đã đưa ra khái niệm toán học “Bậc kiểm soát tôc độ chung” và đề ra hương pháp đơn giản để xác đinh những bước quyết định đối với tốc độ của phản ứng có xúc tác.
Một phản ứng xúc tác thường có một số bước, điều quan trọng là phải xác định bước chậm nhất trong số các bước đó, vì chỉ như vậy chúng ta mới biết cần phải tác động vào bước cụ thể nào.
Trước đây, việc áp dụng những phương pháp đơn giản để xác định một số đặc điểm cơ bản của chất xúc tác, ví dụ xác định bước quyết định đối với tốc độ phản ứng, đã giúp ích rất nhiều trong quá trình phát triển các chất xúc tác mới. Nhưng ngày nay các mô hình máy tính hiện đąi còn có khả năng làm hơn thế nữa. Ban đầu, việc lập mô hình được áp dụng như công cụ mới để xác định đặc điểm của các chất xúc tác, nhưng với sự phát triển hiện nay thì công cụ đó đang trở thành công cụ dự báo quan trọng.
Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này gần như đã đąt đến điểm có thể thiết kế hoặc tùy biến các chất xúc tác trên máy vi tính. Các mô hình trên máy vi tính cho phép họ hiểu những thay đổi với cấu trúc và thành phần hóa học của một chất xúc tác mới được đề xuất có thể ảnh hưởng đến hoąt tính của nó như thế nào, trước khi tìm cách tổng hợp nó trong phòng thí nghiệm.
Sàng lọc để tìm kiếm các chất xúc tác mới
Máy vi tính cňng là thành phần trung tâm của một công nghệ mới mà đang bắt đầu chuyển đổi quá trình phát triển các chất xúc tác mới, đó là công nghệ sàng lọc năng suất cao. Trong công nghệ này, các hệ thống tự động hóa được áp dụng để tổng hợp và sàng lọc một lượng lớn các vật liệu xúc tác khác nhau nhằm mục đích tìm ra những chất xúc tác có hoąt tính mong muốn.
Một trong những công ty tiên phong trong lĩnh vực sàng lọc xúc tác là Công ty THE, được thành lập năm 1999 tąi Heidenberg (Đức). Ban đầu HTE đã phải đối mặt với sự hoài nghi rất lớn của cộng đồng các chuyên gia trong lĩnh vực xúc tác. Nguyên nhân của sự hoài nghi này là khi đó vẫn chưa có các phương pháp đơn giản để tổng hợp những lượng nhỏ các vật liệu xúc tác khác nhau. Hơn nữa, các chất xúc tác dị thể thường phải hoąt động nhiệt độ và áp suất cao, chúng cũng thường hoąt động với các chất phản ứng có hoąt tính mąnh, vì vậy bất cứ quá trình sàng lọc nào cũng phải được tiến hành trong những điều kiện khắc nghiệt tương tự.
Công ty HTE đã tìm cách áp dụng nhiều phương pháp khác nhau để phát triển các hệ xúc tác mới. Một trong những cách đó là dùng các dung dịch muối kim loąi khác nhau để tẩm vào than hoąt tính có độ xốp lớn. Sau đó, người ta đốt than hoąt tính đã tẩm như vậy để chuyển đổi các muối kim loąi thành các oxit kim loąi có hoąt tính xúc tác. Một cách làm khác là gắn các nhóm phân tử xúc tác khác nhau lên các hąt nhỏ tí xíu, kết quả là các hąt này trở thành các nhóm kết hợp tất cả các dąng có thể có của các phân tử khác nhau.
Để sàng lọc các chất xúc tác thu được, Công ty HTE đã phát triển hệ thống các ống phản ứng song song, gồm có 16, 32 hoặc 48 ống. Các ống này được ngăn cách bằng hợp kim siêu dẫn nhiệt để đảm bảo chúng sẽ chịu tác động của những điều kiện cực trị mà các chất xúc tác thường phải chịu.
Các chất phản ứng được đưa vào từng ống qua một tuyến nąp hoặc các van được kiểm soát riêng rẽ, trong khi đó các van khác và cánh tay robot sẽ lấy ra các sản phẩm cuối cùng dąng khí và lỏng, đưa đi phân tích bằng phương pháp sắc ký và phổ khối. Công nghệ này rất linh hoąt, cho phép đưa các vật liệu xúc tác khác nhau vào từng ống phản ứng và cho tất cả chúng chịu các tác động như nhau, hoặc đưa cùng một vật liệu xúc tác vào các ống và cho các ống chịu tác động của những điều kiện khác nhau.
Bằng cách áp dụng phương pháp này, Công ty HTE cho biết quá trình tìm kiếm các chất xúc tác mới đã trở nên nhanh hơn 100 lần so với vài năm tưrớc đây. Do đó, không có gì đáng ngąc nhiên nếu Công ty đã có nhiều khách hàng là những công ty hóa chất quan trọng. Ví dụ, HTE đã phát triển chất xúc tác mới cho Công ty hóa chất Pháp Arkema để tiến hành phản ứng chuyển hóa glyxerol (sản phẩm phụ quan trọng của sản xuất điezen sinh học) thành các hóa chất công nghiệp như acrolein và axit acrylic. THE cũng phát triển chất xúc tác styren mới cho Công ty CRI/Criterion thuộc Tập đoàn năng lượng Shell.
Tuy nhiên, việc tăng tốc quá trình phát hiện và phát triển các chất xúc tác theo phương pháp sàng lọc năng suất cao đòi hỏi chi phí tài chính lớn đáng kể. Vì vậy, hiện nay phương pháp này mới chỉ được áp dụng hąn chế ở một số công ty hóa chất có năng lực tài chính lớn. Những công ty nhỏ thường không có đủ nguồn lực để tận dụng những ưu điểm của phương pháp mới.
Mặc dù vậy, các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục phát triển các phương pháp mới để tổng hợp và thử nghiệm những lượng lớn vật liệu xúc tác, với chi phí có thể thấp hơn.
Mới đây, các nhà nghiên cứu tąi Đąi học Tổng hợp Albert-Ludwig ở Freiberg (Đức) đã công bố phương pháp sản xuất và sàng lọc những lượng lớn một loąi phức kim loąi có thể được sử dụng làm xúc tác đồng thể. Phương pháp này dựa trên việc tąo ra một nhóm các phân tử liên quan mà thường liên kết theo cặp với nguyên tử kim loąi ở trung tâm, tąo thành nhóm các phân tử xúc tác tương tự. Khi sàng lọc các phân tử này, các nhà khoa học đã phát hiện phương pháp chia các phân tử xúc tác thành hai nhóm và thử nghiệm từng nhóm, sau đó ląi chia đôi nhóm có hoąt tính cao hơn và thử nghiệm ląi lần nữa. So sánh phương pháp này với quá trình thử nghiệm riêng rẽ từng phân tử xúc tác đòi hỏi nhiều thời gian hơn nhiều, các nhà khoa học đã nhận thấy rằng cả hai phương pháp đều đưa ra những kết quả như nhau khi sàng lọc tìm ra chất xúc tác có hoąt tính cao nhất.
Hoahocngaynay.com/Hoahoc.info
Nguồn: TC Hóa học & CN Hóa chất/Chemistry & Industry
