ZIF: vật liệu thu giữ khí cacbonic có chọn lọc Các nhà hóa học UCLA đã công bố một bước tiến lớn nhằm làm giảm sự phát thải khí cacbonic giữ nhiệt ngày 15 tháng 2 trên tạp chí Science
Trang 1ZIF: vật liệu thu giữ khí cacbonic có chọn lọc
Các nhà hóa học UCLA đã công
bố một bước tiến lớn nhằm làm giảm sự phát thải khí cacbonic giữ nhiệt ngày 15 tháng 2 trên
tạp chí Science
Trang 2Các nhà khoa học
đã chứng minh họ đã thành công trong việc cô lập và giữ lại khí
cacbonic – chất khí góp phần gây
ra hiện tượng nóng lên toàn cầu, sự dâng cao của mực nước biển và gia tăng nồng độ axit ở các đại dương Phát hiện dẫn tới việc các nhà máy phát điện có thể thu giữ khí
cacbonic một cách hiệu quả mà
không dùng đến các vật liệu độc
hại
“Thách thức về kỹ thuật trong việc chọn lựa loại bỏ khí cacbonic đã
Trang 3được vượt qua” Omar M Yaghi,
giáo sư của UCLA Christopher S Foote và đồng tác giả của bài báo
trên tờ Science cho biết “Bây giờ
chúng ta đã có những cấu trúc có thể đáp ứng một cách chính xác
việc loại bỏ khí cacbonic và giữ
như một bể chứa Không có
cacbonic thoát ra Không có gì
thoát ra – trừ khi bạn muốn như
vậy Chúng tôi tin rằng đây là một bước ngoặt trong việc loại bỏ khí cacbonic trước khi chúng hòa vào bầu khí quyển”
Khí cacbonic bị thu giữ nhờ một loại vật liệu mới được thiết kế bởi Yaghi và các đồng nghiệp gọi là
cơ cấu zeolitic imidazolate, hay
Trang 4ZIF Đây là những kết cấu hóa học
tinh vi và có những lỗ li ti hình tổ ong, với một bề mặt lớn, có thể
nung ở nhiệt độ cao mà không bị phân hủy và đun trong nước hoặc các dung môi hữu cơ trong một
tuần mà không hề bị biến đổi
Rahul Banerjee – nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ về hóa học thuộc UCLA
và Anh Phan – sinh viên tốt nghiệp hóa học cũng thuộc UCLA, cả hai cùng làm việc tại phòng thí nghiệm của Yaghi, đã tổng hợp được 25
cấu trúc tinh thể ZIF và chứng
minh rằng 3 trong số chúng có tính chọn lọc cao trong việc thu giữ khí
cacbonic (68, 69,
ZIF-70)
Trang 5“Tính năng chọn lọc của ZIFs đối với carbon dioxide không vật liệu nào khác có thể sánh kịp”, Yaghi cho
biết (ông là người chỉ đạo của trung tâm UCLA về hóa học chuyên sâu và cũng là
thành viên của học viện công nghệ Nano California tại
UCLA) “Rahul và Anh đã thành
công trong việc tạo nên vật liệu
ZIF mới khiến tôi, vì mục đích báo cáo những kết quả đạt được, đã
phải yêu cầu họ tạm thời dừng
công việc”
ZIF (Ảnh:
UCLA)
Trang 6Phần trong của ZIF có thể chứa các phân tử khí Những cái nắp hoạt
động tương đương như một cánh
cửa hóa học cho phép một số phân
tử nhất định – trong trường hợp này
là khí cacbonic – đi qua và vào bể chứa trong khi cùng lúc ngăn chặn các phân tử lớn hơn hoặc các phân
tử có hình dạng khác
“Chúng ta có thể quét và chọn lựa
một loại phân tử nhất định mà
chúng ta muốn giữ lại” Phan cho
biết “Cái hay của hóa học là
chúng ta được tự do chọn lựa loại cửa nào muốn và điều khiển cái gì
đi qua cánh cửa đó ”
Yaghi nói: “Thu giữ được khí
cacbonic sẽ tạo ra năng lượng
Trang 7sạch hơn ZIF trong một ống khói
sẽ giữ lại khí cacbonic trong các
lỗ li ti trước khi chuyển nó đến nơi lưu giữ ”
Ở vật liệu ZIF 68, 29 và 70,
Banerjee và Phan đã làm trống các
lỗ, tạo nên một cấu trúc mở Sau đó
đã đưa vật liệu vào dòng khí ga – ví
dụ như khí cacbonic (CO2)và ôxit cacbon (CO) cùng với một dòng
khí cacbonic và nitơ – chỉ có khí
CO2được giữ lại Họ đang thí
nghiệm các vật liệu ZIF khác cho rất nhiều ứng dụng
Khí cacbonic đang gây tổn hại đến
sự sống của những rặng san hô và sinh vật biển Yaghi nhấn mạnh
rằng hậu quả mà loại khí này gây ra
Trang 8sẽ không thể hồi phục được, ít nhất
là trong nhiều thế kỉ tới
Hiện tại, quá trình loại bỏ sự phát thải khí cacbonic tại các trạm phát điện bao gồm việc sử dụng các vật liệu độc hại và cần 20% đến 30% năng lượng của trạm, Yaghi cho
biết Ngược lại, ZIF có thể loại bỏ khí cacbonic khỏi các loại khí ga và chứa nhiều hơn 5 lần so với vật liệu cacbon xốp hiện được miêu tả như những công trình nghệ thuật
“Với mỗi lít ZIF, bạn có thể giữ
tới 83 lít khí cacbonic” Banerjee
giải thích
Từ ZIF, Yaghi nhấn mạnh, được sử dụng trong kinh thánh để miêu tả
Trang 9một vùng đất của sự tráng lệ, kì vĩ
Nó cũng có nghĩa là duyên dáng và rạng rỡ ZIF rất phù hợp cho loại
vật liệu mới này vì số thành viên
khá đông đảo và có cấu trúc đẹp
Trên nguyên tắc cơ bản, việc phát minh ra ZIF cũng đã đề ra hai thách thức lớn đối với khoa học zeolite Zeolite rất vững chắc, là các
khoáng xốp được làm từ nhôm,
silicon và ôxi; chúng được sử dụng trong xăng tinh chế, chất tẩy và các sản phẩm khác Nhóm cộng tác của Yaghi đã thành công trong việc
thay thế nhôm và silicon bằng các kim loại như kẽm và côban, cùng với cầu ôxi và nhóm imiđo để
mang lại vật liệu ZIF mà cấu trúc
Trang 10của nó có thể thiết kế theo tính
năng
Banerjee và Phan đã tự động hóa quá trình tổng hợp Thay vì việc
trộn các chất hóa học mỗi lần thực hiện phản ứng và thực hiện được
một số phản ứng một ngày, họ đã làm được 200 phản ứng trong
khoảng thời gian ít hơn 1 tiếng Bộ đôi này đã cho thực hiên 9600 phản ứng siêu nhỏ và từ những phản ứng
đó đã tìm ra 25 cấu trúc mới
Banerjee cho biết: “Chúng tôi tiếp
tục tạo ra các tinh thể ZIF mới mỗi ngày Những phản ứng đó tạo ra
những tinh thể trông đẹp như kim cương”
Trang 11Đồng tác giả của nghiên cứu là Bo Wang, sinh viên tốt nghiệp ngành hóa học tại UCLA làm việc tại
phòng thí nghiệm của Yaghi;
Carolyn Knobler và Hiroyasu
Furukawa thuộc trung tâm hóa học chuyên sâu thuộc học viện công
nghệ nano California tại UCLA và Michael O’Keeffe thuộc đại học
bang Arizona, khoa hóa học và hóa sinh
Trong những năm đầu thập kỉ 90, Yaghi đã phát minh một loại vật
liệu mới gọi là cấu trúc kim
loại-hữu cơ (MOFs), được miêu tả như tinh thể bọt biển và cũng có tác
dụng làm sạch năng lượng Yaghi
có thể thay đổi thành phần của
Trang 12MOF gần như tùy ý Giống như
ZIF, MOF có những lỗ nhỏ –
những lối vào có kích thước nano nơi mà Yaghi và các đồng nghiệp
có thể chứa những khí ga khó vận chuyển và lưu giữ
Phòng thí nghiệm của Yaghi đã tạo
ra hàng trăm cấu trúc MOF, với sự
đa dạng về tính năng và cấu trúc Các phân tử có thể ra vào những
cấu trúc đó mà không hề bị cản trở