Thông qua việc phát hiện ra một chất xúc tác có thể làm điều này bằng ánh sáng cực tím, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ phát triển được một phiên bản hoạt động bằng ánh nắng mặt trời tự nhiên, một lợi ích tiềm năng cho năng lượng thay thế.

Từ lâu, các nhà hóa học đã tìm kiếm một chất xúc tác hiệu quả sử dụng ánh sáng để cung cấp năng lượng cho phản ứng biến đổi CO2 thành metan - một thành phần chính cho nhiều loại nhiên liệu nhằm giảm lượng CO2 ngày càng tăng trong khí quyển.

Các hạt nano rhodium không chỉ hoạt động hiệu quả hơn khi được chiếu ánh sáng, mà chúng còn tạo thành metan chứ không phải hỗn hợp metan và các sản phẩm phụ không mong muốn như CO. Tính "chọn lọc" mạnh mẽ này của khả năng xúc tác bằng ánh sáng cũng có thể mở rộng sang các phản ứng hóa học quan trọng khác.

Jie Liu, giáo sư hóa học tại Đại học Duke cho rằng: "Thực tế bạn có thể sử dụng ánh sáng để tác động đến con đường phản ứng cụ thể là rất thú vị. Phát hiện này thực sự sẽ nâng cao hiểu biết về quá trình xúc tác".

Mặc dù là một trong những nguyên tố hiếm nhất trên Trái đất, nhưng rhodium đóng vai trò quan trọng đáng ngạc nhiên trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Một lượng nhỏ kim loại màu xám bạc có thể được sử dụng để tăng tốc hoặc "xúc tác" một số quy trình công nghiệp trọng điểm, bao gồm cả các quy trình sản xuất thuốc, chất tẩy rửa và phân bón nitơ và chúng thậm chí còn giữ vai trò quan trọng trong việc phân tách các chất ô nhiễm độc hại trong các bộ chuyển đổi xúc tác của ô tô.

Rhodium tăng tốc độ của các phản ứng thông qua việc bổ sung năng lượng, thường đi kèm dưới dạng nhiệt vì nó có thể dễ dàng được sản xuất và hấp thu. Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng gây ra sự cố như tuổi thọ của chất xúc tác ngắn và quá trình tổng hợp nên các sản phẩm ngoài mong đợi.

Trong hai thập kỷ qua, các nhà khoa học đã khám phá phương thức mới và hữu ích mà ánh sáng có thể được sử dụng để bổ sung năng lượng cho những mảnh kim loại thu nhỏ còn kích thước nano, một lĩnh vực được gọi là plasmon.

Henry Everitt, giáo sư vật lý tại Đại học Duke nói: "Các hạt nano kim loại plasmon hoạt động hiệu quả như một ăng-ten nhỏ hấp thụ ánh sáng nhìn thấy hoặc ánh sáng cực tím rất hiệu quả và có thể tác động để tạo ra điện trường mạnh. Trong vài năm gần đây, mọi người đã thừa nhận tính chất này có thể được áp dụng cho xúc tác".

Theo Xiao Zhang, nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của GS. Jie Liu, các khối nano rhodium tổng hợp có kích thước tối ưu để hấp thụ ánh sáng cực tím gần. Sau đó, ông đã đặt một lượng nhỏ hạt nano có màu như vào trong buồng phản ứng và cho hỗn hợp CO2 và hydro qua vật liệu dạng bột.

Khi ông Zhang làm nóng các hạt nano ở mức 300 độ C, phản ứng đã tạo ra một hỗn hợp tương đương như của khí metan và khí độc CO. Tuy nhiên, khi hạ nhiệt và thay vào đó chiếu sáng chúng bằng đèn LED cực tím công suất cao, thì thật đáng ngạc nhiên CO2 và hydro đã phản ứng ở nhiệt độ phòng và phản ứng đó hầu như chỉ tạo ra metan.

GS. Everitt nói: "Chúng tôi phát hiện ra rằng khi chiếu sáng trên các cấu trúc nano rhodium, chúng tôi có thể buộc phản ứng hóa học diễn ra theo hướng như mong đợi. Vì vậy, chúng tôi có thể chọn cách phản ứng diễn ra với ánh sáng theo cách mà chúng tôi không thể làm với nhiệt".

Tính chọn lọc này - khả năng kiểm soát phản ứng hóa học để tạo ra sản phẩm mong muốn với ít hoặc không có phụ sản phẩm, là một yếu tố quan trọng trong việc xác định chi phí và tính khả thi của các phản ứng quy mô công nghiệp.

Theo ông Zhang, nếu phản ứng chỉ có tính chọn lọc ở mức 50%, thì chi phí sẽ tăng gấp đôi so với tính chọn lọc là gần 100%. Và nếu tính chọn lọc rất cao, bạn cũng có thể tiết kiệm thời gian và năng lượng không chỉ bằng cách làm sạch sản phẩm.

Nhóm nghiên cứu dự định sẽ kiểm tra xem liệu kỹ thuật hoạt động bằng ánh sáng của họ có thể thúc đẩy các phản ứng khác, hiện đã được xúc tác bằng kim loại rhodium nóng. Bằng cách tinh chỉnh kích thước của các hạt nano rhodium, các nhà khoa học cũng hy vọng phát triển một phiên bản chất xúc tác được cung cấp năng lượng bằng ánh nắng mặt trời, bằng cách tạo ra một phản ứng hoạt động bằng năng lượng mặt trời có thể được tích hợp vào các hệ thống năng lượng tái tạo.