BẢN CHẤT CẤU TRÚC ĐIỆN TỬ BỀN VỮNG CỦA CHẤT XÚC TÁC ĐƠN NGUYÊN TỬ

Chất xúc tác dị thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng như chuyển hóa khí ô nhiễm (CO2, CO) thành các hợp chất hóa học hữu ích, sản xuất nhiên liệu sạch, pin năng lượng mặt trời… Chất xúc tác dị thể được cấu thành từ kim loại quý (Pt, Ru, Rh, Au…), tồn tại ở cỡ nanomet hay cluster phân tán trên nền oxit kim loại. Do kích cỡ lớn , các chất xúc tác loại này có giá thành cao và không tận dụng hết được hiệu quả xúc tác của kim loại quý. Do đó, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu để tìm ra những phương pháp nhằm giảm kích cỡ của kim loại quý xuống mức nhỏ nhất có thể và hiện tại đã đạt được kích cỡ ở mức nguyên tử, đặt tên là “chất xúc tác đơn nguyên tử”.

Khả năng xúc tác và độ chọn lọc của chất xúc tác đơn nguyên tử vượt trội hơn nhiều so với chất xúc tác ở dạng cluster hay nano. Tuy nhiên, do năng lượng bề mặt riêng của các chất xúc tác đơn nguyên tử lớn nên chúng dễ bị kết khối, tạo thành các khối lớn dưới dạng cluster hay nano trong quá trình tổng hợp hay phản ứng xúc tác. Chính vì vậy, việc cố định các nguyên tử kim loại quý ở kích cỡ nguyên tử trên nền hỗ trợ nhằm ngăn cản chúng kết tụ lại là một vấn đề hết sức quan trọng và cần thiết.

Nhiều giải pháp đề xuất đã thành công trong việc tổng hợp các chất xúc tác đơn nguyên tử như tạo ra các khuyết tật, gắn các nhóm chức… trên các đế nền hỗ trợ. Tuy vậy, các nhà khoa học thực nghiệm vẫn còn nhiều khó khăn trong việc nhận biết chính xác vị trí và cấu trúc điện tử của các chất xúc tác đơn nguyên tử mặc dù đã sử dụng các thiết bị nghiên cứu khoa học hiện đại.

Một trong những phương pháp hiệu quả và chi phí thấp trong việc khảo sát các đặc tính cấu trúc điện tử của chất xúc tác đơn nguyên tử là áp dụng phương pháp hóa tính toán với phiếm hàm mật độ (DFT). Trên cơ sở đó, TS. Hồ Viết Thắng thuộc Khoa Hóa, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN, cùng các cộng sự tại Đại học Milano - Bicocca, Ý và Đại học California Santa Barbara, Mỹ đã nghiên cứu cấu trúc điện tử bền vững của chất xúc tác đơn nguyên tử Pt phân tán trên nền anatase TiO2 cũng như động lực biến đổi cấu trúc của Pt dưới điều kiện xúc tác (https://doi.org/10.1016/j.jcat.2018.08.025; https://doi.org/10.1038/s41563-019-0349-9).

Các tác giả đã kết hợp phương pháp tính toán DFT và các thiết bị đánh giá hiện đại để chỉ ra rằng Pt không tồn tại ở dạng riêng biệt mà nó liên kết chặt chẽ với các nguyên tử O ngoại khung và tồn tại ở dạng PtO2 trong điều kiện thông thường. Tuy nhiên, dưới điều kiện tổng hợp hay xúc tác khắc nghiệt, các đơn nguyên tử Pt tồn tại ở dạng khác nhau như Pt thay thế nguyên tử Ti ở mạng lưới cấu trúc hay Pt liên kết với OH tạo thành dạng cấu trúc (PtOH); Pt liên kết với hai nguyên tử ngoại khung O tạo thành cấu trúc dạng (PtO2). Các dạng cấu trúc khác nhau của đơn nguyên tử Pt được thể hiện rõ trong hình dưới.

Ngoài ra, để nghiên cứu sự ảnh hưởng của các đế nền oxit khác nhau đến cấu trúc điện tử bền vững của đơn nguyên tử, nhóm nghiên cứu cũng đã khảo sát cấu trúc điện tử của nguyên tử Au phân bố trên các nền oxit kim loại khác nhau TiO2, ZrO2, CeO2, LaFeO3 (https://doi.org/10.1007/s11244-021-01514-0). Kết quả cũng cho thấy rằng Au đơn nguyên tử tồn tại bền vững trên nền oxit kim loại ở dạng cấu trúc AuO2.

️ Các kết quả nghiên cứu trên hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm, là nguồn thông tin hữu ích cho việc rút ngắn thời gian tổng hợp các chất xúc tác đơn đơn nguyên tử và cho những ứng dụng xúc tác có độ chọn lọc cao.

[Tiểu sử]

TS. Hồ Viết Thắng nhận bằng tiến sĩ tại Đại học Charles, Praha, Cộng Hòa Séc dưới sự hướng dẫn của giáo sư Petr Nachtigall, chuyên ngành Khoa học Vật liệu, 09/2016. TS. Hồ Viết Thắng tiếp tục làm nghiên cứu sau tiến sĩ tại đây đến tháng 03/2017 và tại khoa Khoa học Vật liệu, Đại học Milano - Biccoca, Ý từ tháng 04/2017 đến 03/2019 dưới sự hướng dẫn của giáo sư Gianfranco Pacchioni.

Từ 04/2019, TS. Hồ Viết Thắng là giảng viên thuộc bộ môn công nghệ Hóa học và Vật liệu, khoa Hóa, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.

TS. Hồ Viết Thắng đang là chủ nghiệm một đề tài nghiên cứu cấp nhà nước do Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) cấp kinh phí.

TS. Hồ Viết Thắng là tác giả chính và là đồng tác giả của hơn 40 bài báo khoa học, trong đó, có hơn 30 bài báo được công bố trên các tạp chí quốc tế uy tín thuộc danh mục SCIE xếp hạng Q1/Q2.