Các phản ứng hóa học đang diễn ra xung quanh chúng ta mọi lúc – điều này khá hiển nhiên nếu bạn suy nghĩ kỹ, nhưng có bao nhiêu người trong chúng ta thực hiện chúng khi khởi động xe, luộc trứng hoặc bón phân cho bãi cỏ?
Chuyên gia về xúc tác hóa học Richard Kong đã suy nghĩ rất nhiều về các phản ứng hóa học. Trong công việc của mình với tư cách là một "chuyên gia điều chỉnh" như ông tự gọi, ông không chỉ quan tâm đến các phản ứng tự phát sinh mà còn quan tâm đến việc xác định các phản ứng mới.
Là một nghiên cứu sinh Klarman về Hóa học và Sinh học Hóa học tại Trường Nghệ thuật và Khoa học, Kong nghiên cứu phát triển các chất xúc tác thúc đẩy các phản ứng hóa học đạt được kết quả mong muốn, tạo ra các sản phẩm an toàn và thậm chí có giá trị gia tăng, bao gồm cả những sản phẩm có thể tác động tích cực đến sức khỏe con người. Thứ Tư.
“Một lượng đáng kể các phản ứng hóa học diễn ra mà không cần sự can thiệp của chất xúc tác,” Kong nói, đề cập đến việc giải phóng khí carbon dioxide khi ô tô đốt nhiên liệu hóa thạch. “Nhưng các phản ứng hóa học ngày càng phức tạp hơn thì không xảy ra tự động. Đây là lúc chất xúc tác hóa học phát huy tác dụng.”
Kong và các đồng nghiệp đã phát triển các chất xúc tác để điều khiển các phản ứng mà họ mong muốn xảy ra. Ví dụ, carbon dioxide có thể được chuyển hóa thành axit formic, methanol hoặc formaldehyde bằng cách chọn chất xúc tác phù hợp và thử nghiệm với các điều kiện phản ứng.
Theo Kyle Lancaster, Giáo sư Hóa học và Sinh học Hóa học (Khoa học và Nghệ thuật) kiêm người hướng dẫn luận văn của Kong, phương pháp của Kong rất phù hợp với cách tiếp cận “hướng đến khám phá” của phòng thí nghiệm của Lancaster. “Richard đã có ý tưởng sử dụng thiếc để cải thiện hóa học, điều này chưa từng có trong kịch bản của tôi,” Lancaster nói. “Anh ấy có một chất xúc tác có thể chuyển hóa chọn lọc carbon dioxide, một chất được nhắc đến nhiều trên báo chí, thành một chất có giá trị hơn.”
Kong và các cộng sự gần đây đã phát hiện ra một hệ thống mà, trong những điều kiện nhất định, có thể chuyển đổi carbon dioxide thành axit formic.
“Mặc dù hệ thống của chúng tôi chưa phải là tiên tiến nhất về khả năng phản hồi, nhưng nó có khả năng tùy chỉnh cao,” Kong nói. “Bằng cách này, chúng ta có thể bắt đầu hiểu sâu hơn lý do tại sao một số chất xúc tác hoạt động nhanh hơn những chất khác, tại sao một số chất xúc tác lại tốt hơn về bản chất. Chúng ta có thể điều chỉnh các thông số của chất xúc tác và cố gắng hiểu điều gì khiến chúng hoạt động nhanh hơn, bởi vì chúng hoạt động càng nhanh thì càng tốt, và bạn càng có thể tạo ra các phân tử nhanh hơn.”
Kong cho biết, với tư cách là một nghiên cứu sinh của chương trình Klarman, ông cũng đang nỗ lực loại bỏ nitrat, một loại phân bón phổ biến gây độc hại cho nguồn nước, khỏi môi trường và chuyển hóa chúng thành các chất ít độc hại hơn.
Kong đã thử nghiệm sử dụng các kim loại có sẵn trong lòng đất, chẳng hạn như nhôm và thiếc, làm chất xúc tác. Ông cho biết, các kim loại này rẻ, không độc hại và dồi dào trong vỏ trái đất, vì vậy việc sử dụng chúng sẽ không gây ra vấn đề về tính bền vững.
“Chúng tôi cũng đang nghiên cứu cách chế tạo chất xúc tác trong đó hai kim loại tương tác với nhau,” Kong nói. “Bằng cách sử dụng hai kim loại trong cùng một khung cấu trúc, chúng ta có thể thu được những phản ứng và quá trình hóa học thú vị nào từ các hệ thống lưỡng kim loại?”
Theo Kong, rừng là môi trường hóa học chứa các kim loại này – chúng đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác tiềm năng của các kim loại để phát huy chức năng của chúng, giống như việc bạn cần trang phục phù hợp với thời tiết vậy.
Trong 70 năm qua, tiêu chuẩn là sử dụng một trung tâm kim loại duy nhất để đạt được các chuyển đổi hóa học, nhưng trong thập kỷ trở lại đây, các nhà hóa học trong lĩnh vực này đã bắt đầu nghiên cứu sự kết hợp của hai kim loại, hoặc về mặt hóa học hoặc ở khoảng cách gần nhau. Đầu tiên, Kong nói, “Nó mang lại cho bạn nhiều mức độ tự do hơn.”
Kong cho biết, các chất xúc tác lưỡng kim loại này cho phép các nhà hóa học kết hợp các chất xúc tác kim loại dựa trên điểm mạnh và điểm yếu của chúng. Ví dụ, một trung tâm kim loại liên kết kém với chất nền nhưng phá vỡ liên kết tốt có thể hoạt động hiệu quả với một trung tâm kim loại khác phá vỡ liên kết kém nhưng liên kết tốt với chất nền. Sự hiện diện của kim loại thứ hai cũng ảnh hưởng đến các đặc tính của kim loại thứ nhất.
“Bạn có thể bắt đầu nhận thấy cái mà chúng ta gọi là hiệu ứng hiệp đồng giữa hai trung tâm kim loại,” Kong nói. “Lĩnh vực xúc tác lưỡng kim loại đang bắt đầu cho thấy một số phản ứng thực sự độc đáo và tuyệt vời.”
Kong cho biết vẫn còn nhiều điều chưa rõ ràng về cách các kim loại liên kết với nhau trong các hợp chất phân tử. Ông hào hứng với vẻ đẹp của chính hóa học cũng như với các kết quả thu được. Kong được mời đến Phòng thí nghiệm Lancaster vì chuyên môn của họ trong lĩnh vực quang phổ tia X.
“Đó là sự cộng sinh,” Lancaster nói. “Quang phổ tia X đã giúp Richard hiểu được những gì đang diễn ra đằng sau hậu trường và điều gì khiến thiếc đặc biệt dễ phản ứng và có khả năng thực hiện phản ứng hóa học này. Chúng tôi được hưởng lợi từ kiến ​​thức sâu rộng của ông ấy về hóa học các nhóm nguyên tố chính, điều này đã mở ra một lĩnh vực mới cho nhóm nghiên cứu.”
Theo Kong, tất cả đều dựa trên hóa học cơ bản và nghiên cứu, và cách tiếp cận này được thực hiện nhờ học bổng Open Klarman.
“Vào một ngày bình thường, tôi có thể tiến hành các phản ứng trong phòng thí nghiệm hoặc ngồi trước máy tính để mô phỏng các phân tử,” ông nói. “Chúng tôi đang cố gắng thu thập bức tranh đầy đủ nhất có thể về hoạt động hóa học.”