(H2N2)-Theo tình hình gia tăng ô nhiễm môi trường ngày một nghiêm trọng, việc nghiên cứu những công nghệ mới trong khoa học luôn gắn liền tiêu chí “thân thiện với môi trường”. Pin Hydrogen nhiên liệu ra đời trong bối cảnh như thế. Tuy nhiên, vẫn còn tồn đọng những khó khăn liên quan ở hệ xúc tác cho phản ứng WGS để chuyển hóa CO thành H2.
WGS (Water-gas shift) là tên gọi của phản ứng CO + H2O (h) ↔ CO + H2O. Đây cũng là một phản ứng rất quan trọng ở pha khí trong các quá trình liên quan đến khí – nhiên liệu tự nhiên. Vì thế, tên gọi water-gas shift vẫn được giữ nguyên khi chuyển sang các ngôn ngữ khác. Vì lí do đó, người viết cũng xin được giữ lại khái niệm nguyên gốc này.
Thông thường, phản ứng WGS là phản ứng phụ của phản ứng Fischer-Tropsch. Đây là một trong những phản ứng quan trọng trong tổng hợp hữu cơ – hóa dầu, với nguồn nguyên liệu là khí tổng hợp (là hỗn hợp khí CO và H2). Phản ứng Fischer-Tropsch sẽ tạo ra sản phẩm cơ bản là CH3OH, rồi từ đây tiến hành quá trình dehydrate hóa tạo thành hydrocarbon lỏng, hay một số phản ứng khác để tạo thành các hợp chất hữu cơ khác. Trở lại với vai trò của phản ứng WGS, do nguồn nguyên liệu khí tổng hợp sinh ra từ một số quá trình, tiêu biểu như phản ứng khí hóa nguồn nguyên liệu sinh khối (biomass), có tỉ lệ CO/H2 thay đổi, trong khi phản ứng tổng hợp, ví dụ như CH3OH lại cần tỉ lệ mol CO/H2 cố định (trong trường hợp này là 1/2) nên WGS sẽ có vai trò điều chỉnh tỉ lệ mol phù hợp dựa trên việc chuyển CO thành H2 để cân đối lại tỉ lệ này.
Các nhà hoá học Mỹ vừa triển khai một chất xúc tác mới có thể hỗ trợ cho phản ứng “chìa khoá” WGS – phản ứng tạo ra khí hiđrô cho pin nhiên liệu. Trong quá trình phản ứng, khí CO dư lẫn trong khí hiđrô sẽ kết hợp với hơi nước có chất xúc tác tham gia tạo ra khí hiđrô và CO2. Quá trình này làm tăng hàm lượng khí H2 cũng với việc làm giảm hàm lượng khí CO nên còn được gọi là quá trình “tinh hóa” khí H2. Quá trình này diễn ra sẽ làm giàu hàm lượng H2 đến một mức độ có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu.
Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa thể có bất kỳ hệ xúc tác nào cho phản ứng WGS có thể đạt đủ yêu cầu hoàn hảo. Các chất xúc tác chủ yếu có thành phần cơ bản là đồng (Cu), tuy nhiên Cu lại có thể tự phát cháy trong không khí (nên nhớ là phản ứng WGS xảy ra ở nhiệt độ khá cao)– một đặc tính nguy hiểm do pin nhiên liệu luôn hoạt động trong điều kiện có không khí tức là có O2. Một sự thay thế khá hoàn hảo về mặt hoạt tính được “chào hàng” là Pt, tuy nhiên hạn chế của việc sử dụng nguyên tố này là giá thành cao quá mức cho phép. Nhằm giữ vững các cơ hội tồn tại mang tính thương mại, Pt phải được điều chế với một lượng rất nhỏ (vài nghìn ppm) dưới sự hỗ trợ của hệ chất mang là oxit đất hiếm CeO2.
![[Image: platinum-400_tcm18-191056.jpg]](https://i0.wp.com/hoahocngaynay.com/wp-content/uploads/2011/02/platinum-400_tcm18-191056-20110221174302.jpg?resize=400%2C205&ssl=1)
Pt : thành phần chính trong hệ xúc tác cho phản ứng WGS
Đáng tiếc là CeO2 chỉ được tìm thấy ở một số ít nơi trên trái đất. Manos Mavrikakis của Đại học Madison, Wisconsin cho biết việc tìm kiếm oxit này có nhiều trở ngại bởi các lý do địa chính trị. Chính vấn đề ấy đã khiến Mavrikakis, cùng với Maria Flytzani – Stephanopoulos và những người đồng nghiệp tại Đại học Tufts và Harvard, Massachusetts, tiến hành khảo sát những phương pháp khác nhằm tăng tính khả thi cho việc sử dụng Pt để xúc tác cho phản ứng WGS. May mắn thay, họ đã khám phá ra các ion kim loại kiềm như Na hay K có thể hoạt hoá một lượng nhỏ Platin nguyên chất khi có Al hoặc Si làm chất mang. Lúc tiến hành nghiên cứu cấu trúc, họ đã nhận thấy các thành phần O2 rất hoạt động trên bề mặt hệ chất mang này dẫn đến tăng hoạt tính xúc tác của Pt và giúp hoàn tất chuỗi phản ứng.
Thực vậy, các nhà nghiên cứu thấy rằng hệ xúc tác này xúc tác tốt cho phản ứng WGS ngay cả khi nhiệt độ thấp hơn 100°C và hoạt tính của hệ xúc tác biến tính này hoàn toàn có thể thay thế được hệ xúc tác Pt mang trên CeO2 đắt tiền và khó tìm. Dù thế, họ cũng chưa hiểu rõ cơ chế hoạt động của hệ xúc tác này do những hạn chế trong việc tìm ra một phương pháp thực tế để “quan sát” các thành phần nguyên tử hoạt động ra sao.
“Rõ ràng là cần phải có nhiều nỗ lực nghiên cứu hơn để làm rõ độ bền của hệ xúc tác này. Do đó vẫn còn là quá sớm để khẳng định điều gì dù nghiên cứu này là bước đệm cơ bản cho tương lai của pin nhiên liệu cho động cơ”, Frederic Meunier làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS) trao đổi. Tuy nhiên, đây là bước tiến lớn cho việc hiểu rõ chất xúc tác bạch kim (platin) đối với phản ứng WGS và chắc chắn sẽ trở thành bàn đạp cho việc tính toán các công thức thành phần xúc tác mới có hiệu quả hơn. Đặc biệt với quan điểm giảm thiểu hàm lượng bạch kim không cần thiết mà vẫn có được một hệ xúc tác có khả năng hoạt động cao.
Phương Linh
Nguồn rsc.org/cyberchemvn.com
