Các nhà nghiên cứu từ Đại học Yale và Đại học Missouri (Hoa Kỳ) phát hiện ra rằng mangan, một kim loại dồi dào, rẻ tiền, có thể sử dụng để chuyển đổi hiệu quả carbon dioxide thành formate, hợp chất có thể giúp cung cấp hydro cho các pin nhiên liệu thế hệ tiếp theo.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Chem cho thấy, chất xúc tác hóa học gốc mangan có thể hoạt động tốt hơn nhiều chất xúc tác hiện có làm từ các kim loại quý hiếm, đắt tiền. Phát hiện này có thể mở hướng đi mới cho các phương pháp sản xuất và lưu trữ năng lượng bền vững hơn.

Pin nhiên liệu hydro tạo ra điện bằng cách chuyển hóa hydro thành năng lượng. Chúng không phát thải carbon tại điểm sử dụng, nên trở thành lựa chọn hấp dẫn cho giao thông vận tải và sản xuất điện sạch. Tuy nhiên, trở ngại lớn là tìm ra cách thức sản xuất, lưu trữ và vận chuyển hydro hiệu quả, giá cả phải chăng.

Một giải pháp đầy hứa hẹn liên quan đến formate, hay axit formic ở dạng proton hóa. Hóa chất này đã được sản xuất trên quy mô công nghiệp và được sử dụng trong các sản phẩm như chất bảo quản và chất kháng khuẩn.

Các nhà khoa học cũng xem formate như một chất mang hydro tiềm năng, vì hydro có thể được giải phóng từ nó khi cần thiết. Thách thức nằm ở việc sản xuất formate theo cách vừa hiệu quả, vừa thân thiện với môi trường.

Hiện nay, hầu hết formate công nghiệp sản xuất bằng nhiên liệu hóa thạch, điều này làm giảm lợi ích bền vững của nó. Một cách tiếp cận thân thiện với môi trường hơn là sản xuất formate trực tiếp từ carbon dioxide thu giữ từ khí quyển, biến khí nhà kính thành nguồn tài nguyên hữu ích.

Để làm được điều này, các nhà khoa học dựa vào chất xúc tác hóa học, những chất giúp tăng tốc độ phản ứng mà không bị tiêu hao. Cho đến nay, các chất xúc tác hiệu quả nhất cho quá trình này, thường dựa vào các kim loại quý như palladium hoặc iridium.

Các kim loại này đắt tiền, khan hiếm và đôi khi độc hại. Các kim loại dồi dào hơn như mangan thì rẻ hơn và an toàn hơn, nhưng chúng thường bị phân hủy quá nhanh trong các phản ứng hóa học nên không hữu ích.

Nhóm nghiên cứu khắc phục vấn đề này bằng cách thiết kế lại cấu trúc phân tử xung quanh nguyên tử mangan. Họ thêm một “nguyên tử cho” vào phối tử, khung phân tử liên kết với kim loại và kiểm soát cách nó hoạt động. Thay đổi này cải thiện đáng kể độ ổn định của chất xúc tác, cho phép nó hoạt động lâu hơn mà không bị phân hủy.

Kết quả là, chất xúc tác gốc mangan có thể chuyển đổi carbon dioxide thành formate hiệu quả hơn hầu hết kim loại quý thay thế. Theo các nhà nghiên cứu, đây là ví dụ hiếm hoi về một kim loại giá rẻ, dồi dào trong tự nhiên, lại vượt trội hơn các chất xúc tác cao cấp truyền thống trong phản ứng hóa học yêu cầu khắt khe.

Ý nghĩa của phát hiện này không chỉ giới hạn ở pin nhiên liệu. Nhóm nghiên cứu tin rằng thiết kế tương tự có thể áp dụng cho các phản ứng hóa học quan trọng ở lĩnh vực năng lượng sạch và sản xuất bền vững. Như vậy, mangan có thể trở thành yếu tố chủ chốt trong nhiều công nghệ xanh.

Bằng cách chứng minh một kim loại thông thường có thể cạnh tranh, thậm chí là vượt trội so với các kim loại đắt tiền hơn, nghiên cứu này hướng tới một tương lai, nơi các giải pháp năng lượng sạch hơn, không chỉ bền vững hơn mà còn tiết kiệm chi phí hơn.