Nghiên cứu xuất bản trên tạp chí Advanced Materials hôm 26/6 nhấn mạnh rằng đây là lần đầu tiên một vật liệu hợp kim được chứng minh là có khả năng biến đổi carbon dioxide (CO2), một loại khí gây hiệu ứng nhà kính, thành carbon monoxide (CO).

“Carbon monoxide sau đó có thể kết hợp với hydro để tạo ra methanol. Đó là một cách tuyệt vời để lấy CO2 trong không khí và tái chế nó trở lại thành hợp chất hữu cơ hydrocarbon”, tác giả chính của nghiên cứu Rohan Mishra, trợ lý giáo sư tại Khoa Cơ khí và Khoa học Vật liệu của Đại học Washington, cho hay.

Nền tảng của loại vật liệu mới này là các kim loại chuyển tiếp dichalcogenide (TMDC). Chúng được tổng hợp từ nhiều kim loại chuyển tiếp và ba nguyên tố phi kim trong nhóm chalcogen, còn được gọi là nhóm nguyên tố 16, bao gồm lưu huỳnh, selen và tellurium.

Mishra cho biết trước đây đã có sự quan tâm đến các dạng hai chiều tương tự của vật liệu TMDC do đặc tính quang học và điện tử nổi bật của chúng, nhưng chưa có nghiên cứu nào đề cập đến khả năng khử khí nhà kính.

“Hợp kim mới hoạt động như một chất xúc tác để tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng hóa học trên bề mặt. Vật liệu là hai chiều (có độ dày chỉ bằng ba nguyên tử), nên diện tích bề mặt của nó rất lớn”, Mishra mô tả.




Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử cho thấy sự phân bố của các nguyên tố khác nhau trong một mảnh hợp kim TMDC. Ảnh: Phòng thí nghiệm Mishra.

Hình ảnh từ kính hiển vi điện tử cho thấy sự phân bố của các nguyên tố trong một mảnh hợp kim TMDC. Ảnh: Phòng thí nghiệm Mishra.

Với 10 kim loại chuyển tiếp và ba chất chalcogen, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra tới 135 hợp kim TMDC hai kim loại và 756 hợp kim năm kim loại. Tuy nhiên, cũng giống như dầu và nước, không phải tất cả sự kết hợp sẽ hòa trộn với nhau để tạo thành một hợp kim đồng nhất.

Trong nghiên cứu này, Mishra cùng các cộng sử đã sử dụng các tính toán cơ học lượng tử để dự đoán sự kết hợp nào có nhiều khả năng cải thiện khả năng xúc tác CO2 của vật liệu. Tiếp theo, họ phải kiểm tra xem vật liệu mới có ổn định hay không. Nhóm đã tự phát triển một công cụ để làm điều đó.

“Tôi đã tạo ra một mô hình nhiệt động lực học để dự đoán các hợp kim TMDC có entropy cao (hợp kim chứa nhiều hơn ba kim loại với tỷ lệ gần bằng nhau) từ tính toán cơ học lượng tử”, nhà giả kim John Cavin từ Đại học Washington, đồng tác giả của nghiên cứu, giải thích. “Các tính toán này được thực hiện bằng cách sử dụng tài nguyên siêu máy tính”.

Sau nhiều năm phát triển, kết quả phân tích của nhóm được gửi đến các cộng tác viên thực nghiệm tại Đại học Illinois ở Chicago (UIC). “Tại đây, họ có thể tổng hợp các vật liệu mà chúng tôi dự đoán sẽ tạo thành hợp kim TMDC entropy cao và một trong số đó đã cho thấy hoạt động khác biệt”, Mishra nói thêm.

Đến nay, các nhà nghiên cứu đã tổng hợp được ba hợp kim TMDC khác nhau có khả năng khử CO2. Chúng đều là những vật liệu chưa từng được tổng hợp trước đây.

Công trình nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ, như một phần của Sáng kiến Bộ gene Vật liệu (MGI) do cựu Tổng thống Barack Obama phát động vào năm 2011 nhằm khám phá, sản xuất và triển khai vật liệu hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

Đoàn Dương (Theo Science Daily)