“Phóng xạ cho thấy cách một trong những liên kết mạnh nhất của tự nhiên bị đứt: Nghiên cứu”

Các nhà nghiên cứu đã khám phá ra cách thức các liên kết carbon-hydro của ankan bị phá vỡ và cách thức các chất xúc tác hoạt động trong phản ứng này. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí ‘Khoa học’.

Việc sử dụng các đợt ánh sáng tia X ngắn giúp các nhà khoa học tiến một bước gần hơn tới việc phát triển các chất xúc tác tốt hơn để chuyển đổi khí mê-tan gây hiệu ứng nhà kính thành các hóa chất ít gây hại hơn. Khí mê-tan, một trong những khí nhà kính mạnh nhất, đang được thải vào khí quyển với tốc độ ngày càng tăng do hoạt động chăn nuôi gia súc và sự tan băng liên tục của băng vĩnh cửu. Chuyển đổi mêtan và các ankan chuỗi dài hơn thành các hóa chất ít độc hại hơn và trên thực tế là hữu ích sẽ loại bỏ các mối đe dọa liên quan đồng thời cung cấp một lượng lớn nguyên liệu thô cho ngành công nghiệp hóa chất. Tuy nhiên, chuyển đổi khí mê-tan đòi hỏi bước đầu tiên là phá vỡ liên kết CH, một trong những liên kết hóa học mạnh nhất của tự nhiên.

Bốn mươi năm trước, người ta đã phát hiện ra các chất xúc tác kim loại phân tử có thể dễ dàng cắt liên kết C-H. Điều duy nhất cần thiết là một tia sáng ngắn của ánh sáng khả kiến ​​để “bật” chất xúc tác và thật kỳ diệu, các liên kết C-H mạnh của các ankan đi qua gần đó dễ dàng bị phá vỡ mà hầu như không sử dụng bất kỳ năng lượng nào. Mặc dù tầm quan trọng của phản ứng kích hoạt CH này, nhưng trong nhiều thập kỷ, người ta vẫn chưa biết chất xúc tác thực hiện chức năng này như thế nào. Nghiên cứu được dẫn đầu bởi các nhà khoa học từ Đại học Uppsala phối hợp với Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ, Đại học Stockholm, Đại học Hamburg và XFEL Châu Âu ở Đức. Lần đầu tiên, các nhà khoa học có thể trực tiếp nhìn thấy chất xúc tác hoạt động và tiết lộ cách nó phá vỡ các liên kết C-H đó.

Trong hai thí nghiệm được thực hiện tại Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ, các nhà nghiên cứu đã có thể theo dõi quá trình trao đổi điện tử tinh vi giữa chất xúc tác rhodium và nhóm CH của octan khi chất này bị phân hủy. Sử dụng hai trong số các nguồn tia X mạnh nhất thế giới, tia laser SwissFEL X và synchrotron tia X Nguồn sáng Thụy Sĩ, phản ứng có thể được theo dõi suốt từ đầu đến cuối. Các phép đo cho thấy quá trình kích hoạt ban đầu do ánh sáng gây ra của chất xúc tác trong vòng 400 femto giây (0,0000000000004 giây) đến khi liên kết C-H cuối cùng bị phá vỡ sau 14 nano giây (0,000000014 giây). “Các thí nghiệm hấp thụ tia X được giải quyết theo thời gian mà chúng tôi thực hiện chỉ có thể thực hiện được tại các cơ sở quy mô lớn như SwissFEL và Nguồn sáng Thụy Sĩ, nơi cung cấp các xung tia X rất sáng và ngắn. Chất xúc tác được ngâm trong dung dịch octan rắn, nhưng Raphael Jay, Nhà nghiên cứu tại Đại học Uppsala và là nhà thực nghiệm chính của nghiên cứu giải thích: bằng cách xem xét khía cạnh kim loại , chúng tôi có thể chọn cụ thể một liên kết CH trong số hàng trăm nghìn liên kết được tạo ra để phá vỡ.

Để giải thích dữ liệu thực nghiệm phức tạp, các nhà lý thuyết từ Đại học Uppsala và Đại học Stockholm đã hợp tác và thực hiện các tính toán hóa học lượng tử tiên tiến. “Tính toán của chúng tôi cho phép chúng tôi xác định rõ ràng cách thức ankan bị phá vỡ và cách thức hoạt động của chất xúc tác trong phản ứng này. Dòng chảy giữa chất xúc tác kim loại và nhóm CH theo tỷ lệ phù hợp. Chúng tôi có thể thấy cách điện tích di chuyển từ kim loại sang keo liên kết CH Ambar Banerjee, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Uppsala và là nhà lý thuyết chính của nghiên cứu giải thích. ()