Hoạt tính xúc tác là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa hoạt tính xúc tác

Hoạt tính xúc tác là đại lượng thể hiện khả năng của chất xúc tác tham gia vào phản ứng hóa học nhằm tăng tốc độ chuyển hóa chất phản ứng thành sản phẩm trên một đơn vị khối lượng hoặc mol chất xúc tác trong một đơn vị thời gian. Mục tiêu là đánh giá xem chất xúc tác đó hiệu quả như thế nào trong việc thúc đẩy phản ứng mà không tự bị tiêu hao.

Trong thực nghiệm, hoạt tính thường được biểu diễn dưới dạng TOF (turnover frequency) – số mol sản phẩm được tạo ra trên một mol trung tâm hoạt động trong chất xúc tác mỗi giờ hoặc mỗi giây. Giá trị TOF cao tương ứng với khả năng xúc tác mạnh, phản ứng nhanh. Cách định lượng này giúp so sánh hiệu suất giữa các loại xúc tác, bất kể khối lượng hay diện tích bề mặt của chúng.

Đánh giá hoạt tính xúc tác giúp nhà nghiên cứu thiết kế và tối ưu quy trình công nghiệp như sản xuất hoá dầu, hóa chất, xử lý khí thải, hoặc tổng hợp dược phẩm. Hoạt tính cao thường đồng nghĩa với chi phí nguyên liệu và năng lượng thấp, giảm lượng chất thải và tối ưu thời gian phản ứng; do đó đo lường chính xác là điều kiện tiên quyết để phát triển xúc tác có tính cạnh tranh và thân thiện môi trường hơn.

Các đại lượng đo lường hoạt tính xúc tác

Các đại lượng đo hoạt tính xúc tác thường dùng trong nghiên cứu và ứng dụng thực tế bao gồm:

• Tốc độ phản ứng (reaction rate): mol sản phẩm sinh ra trong thời gian đơn vị.
• Hiệu suất chuyển hóa (conversion): tỷ lệ phần trăm chất phản ứng chuyển thành sản phẩm.
• Chọn lọc sản phẩm (selectivity): tỷ lệ phần trăm của sản phẩm mục tiêu trong tổng sản phẩm sinh ra.
• Doanh suất xúc tác (TOF – turnover frequency): mol sản phẩm trên mol trung tâm hoạt động mỗi giờ.

Trong đó TOF là đại lượng phổ biến nhất để đánh giá trực tiếp hoạt tính nguyên tử của trung tâm xúc tác. Công thức tính như sau:

$\text{TOF} = \frac{\dot{n}_{product}}{n_{active}\cdot t}$

Trong đó \dot{n}_{product} là tốc độ sinh sản phẩm (mol/s), n_{active} là số mol trung tâm hoạt động, t là thời gian phản ứng (giây). TOF thường được biểu diễn ở đơn vị s⁻¹ hoặc h⁻¹ tùy theo bối cảnh nghiên cứu.

Cơ chế phản ứng xúc tác

Phản ứng xúc tác dị thể (heterogeneous catalysis) thông thường trải qua ba giai đoạn căn bản:

• Adsorption: chất phản ứng hấp phụ lên bề mặt xúc tác.
• Phản ứng bề mặt: biến đổi hóa học trung gian, mạng khai thác điện tử giữa xúc tác và chất tham gia.
• Desorption: sản phẩm giải phóng khỏi bề mặt trở thành dạng không gian pha phản ứng hoặc chất tinh khiết cuối cùng.

Sự hiện diện của chất xúc tác giúp giảm năng lượng hoạt hóa (Ea) bằng cách cung cấp đường phản ứng với rào cản năng lượng thấp hơn so với phản ứng không xúc tác. Nhờ vậy, tốc độ phản ứng tăng lên ở cùng nhiệt độ phản ứng mà không làm thay đổi cân bằng hóa học.

Theo Nature Reviews Materials, dưới tác động của xúc tác, các liên kết giữa nguyên tử phản ứng bị kéo giãn hoặc uốn cong, làm cho phân tử dễ bị chuyển hóa sang giai đoạn trung gian với năng lượng thấp hơn. Chính sự tương tác điện tử này giúp làm giảm Ea, hình thành đường dẫn phản ứng mới và mang đến tăng tốc đáng kể cho phản ứng.

Các loại xúc tác và ảnh hưởng đến hoạt tính

Xúc tác được phân loại thành bốn nhóm chính:

• Dị thể (heterogeneous): chủ yếu là chất rắn xúc tác khí hoặc chất lỏng, ví dụ như Pd, Pt, Ru trên chất mang oxide hoặc carbon.
• Đồng thể (homogeneous): xúc tác tan trong pha phản ứng, ví dụ phức hợp kim loại bậc thấp hoặc kim loại chuyển tiếp trong dung môi hữu cơ.
• Sinh học (enzyme): xúc tác tự nhiên mang cấu trúc phức tạp, có độ chọn lọc cao, hoạt động ở nhiệt độ thấp và pH sinh lý.
• Điện hóa (electrocatalysis): xúc tác tham gia phản ứng điện hóa, như ηλεκρο phân nước, khử CO₂, với hoạt tính phụ thuộc vào cấu trúc điện cực.

Mỗi loại xúc tác có cơ chế hoạt động và yếu tố ảnh hưởng khác nhau:

• Xúc tác dị thể: hoạt tính phụ thuộc vào diện tích bề mặt đặc biệt, kích thước hạt, độ phân tán và cấu trúc tinh thể của pha hoạt động.
• Xúc tác đồng thể: ảnh hưởng bởi cấu trúc ligand trong phức hợp, môi trường dung môi và nhiệt độ – áp suất.
• Enzyme: hiệu suất phụ thuộc vào cấu trúc bậc ba, trung tâm hoạt động, pH, nhiệt độ và chất ức chế.
• Electrocatalyst: cấu trúc bề mặt, điện thế đánh thức, dẫn điện và môi trường điện li quyết định hoạt tính.

Việc hiểu rõ các yếu tố này là cơ sở để điều chỉnh và tối ưu hoạt tính xúc tác qua cách thiết kế cấu trúc (doping, tinh chế bề mặt), thay đổi điều kiện phản ứng hoặc chọn hệ xúc tác phù hợp với ứng dụng mong muốn.

Yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác

Hoạt tính xúc tác bị chi phối bởi hàng loạt yếu tố vật lý, hóa học và điều kiện vận hành. Trong xúc tác dị thể, các yếu tố then chốt bao gồm:

• Diện tích bề mặt riêng (BET surface area): càng cao, càng nhiều vị trí hoạt động sẵn sàng phản ứng.
• Độ phân tán pha hoạt tính: tỷ lệ kim loại hoặc chất xúc tác trên chất mang ở dạng nguyên tử hoặc cụm nano.
• Cấu trúc tinh thể và khiếm khuyết bề mặt: ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ và chuyển hóa phân tử.

Ở xúc tác đồng thể và enzyme, các yếu tố như cấu trúc ligand, độ bền cấu trúc bậc ba, hoặc pH và nhiệt độ môi trường đóng vai trò thiết yếu trong việc duy trì trạng thái hoạt hóa tối ưu.

Các điều kiện phản ứng như nhiệt độ, áp suất, nồng độ chất phản ứng và thời gian tiếp xúc cũng làm thay đổi TOF. Ví dụ, TOF có thể tăng tuyến tính theo nồng độ chất phản ứng trong vùng động học bậc nhất, nhưng giảm nếu xúc tác bị bão hòa hoặc nhiễm độc.

Phương pháp xác định hoạt tính xúc tác

Đo hoạt tính xúc tác yêu cầu thiết lập phản ứng trong điều kiện chuẩn và thiết bị có độ chính xác cao. Một số phương pháp phổ biến:

• Sắc ký khí (GC): phân tích nồng độ sản phẩm đầu – cuối, xác định hiệu suất chuyển hóa và chọn lọc.
• FTIR và in situ spectroscopy: theo dõi trung gian phản ứng trực tiếp trên bề mặt xúc tác.
• Isothermal calorimetry: đo năng lượng phản ứng để suy ra hoạt tính.

Bảng sau tổng hợp phương pháp và thông số thu được:

Phương pháp	Thông số	Ứng dụng
GC (Gas Chromatography)	TOF, Conversion, Selectivity	Xúc tác dị thể
UV-Vis/FTIR in situ	Trung gian phản ứng	Xúc tác đồng thể, enzyme
Calorimetry	Entalpy phản ứng	Phản ứng hydrogenation

Trong xúc tác sinh học, một đơn vị hoạt tính enzym (U) được định nghĩa là lượng enzym xúc tác chuyển hóa 1 µmol cơ chất mỗi phút dưới điều kiện chuẩn.

Ứng dụng trong công nghiệp và môi trường

Hoạt tính xúc tác có vai trò trung tâm trong các quy trình hóa học và môi trường quy mô lớn. Một số lĩnh vực ứng dụng nổi bật:

• Công nghiệp hóa dầu: Cracking xúc tác, isomer hóa, alkyl hóa, hydrodesulfurization.
• Hóa học xanh: Tổng hợp hóa chất hữu cơ với enzyme hoặc xúc tác đồng thể thân thiện môi trường.
• Chuyển hóa năng lượng: Xúc tác điện hóa trong pin nhiên liệu, điện phân nước, và khử CO₂.
• Xử lý môi trường: Oxy hóa VOCs, phân hủy NO_x, xúc tác quang học phân hủy thuốc trừ sâu.

Ví dụ, xúc tác vanadi pentoxide (V₂O₅) dùng trong phản ứng oxy hóa SO₂ → SO₃ trong sản xuất acid sulfuric đạt TOF > 10³ h⁻¹, cho thấy hiệu suất rất cao ở quy mô công nghiệp.

Xu hướng nghiên cứu và thiết kế xúc tác mới

Các hướng nghiên cứu hiện đại tập trung vào xúc tác nano, xúc tác đơn nguyên tử (single-atom catalysts – SACs), xúc tác điện hóa và xúc tác ánh sáng (photocatalysis). Những hệ thống này có tỷ lệ sử dụng nguyên tử cao và khả năng điều chỉnh cấu trúc điện tử tinh vi.

Các phương pháp tiên tiến đang được sử dụng để tăng hoạt tính xúc tác bao gồm:

• Thiết kế bề mặt xúc tác bằng mô phỏng lượng tử (DFT, ab initio).
• Doping dị nguyên tử để điều chỉnh mức Fermi và mật độ điện tử.
• Sử dụng trí tuệ nhân tạo và học máy để dự đoán TOF dựa trên đặc trưng cấu trúc.

Cơ sở dữ liệu như Catalysis-Hub đang cung cấp hàng triệu cấu hình xúc tác được tính toán DFT, giúp rút ngắn thời gian thiết kế vật liệu mới và tăng hiệu quả thử nghiệm thực nghiệm.

Tiêu chuẩn hóa và đánh giá hiệu suất xúc tác

So sánh hoạt tính giữa các nghiên cứu đòi hỏi quy trình tiêu chuẩn hóa chặt chẽ, đặc biệt về đơn vị TOF, điều kiện phản ứng và đặc tính xúc tác. Các yếu tố cần báo cáo đồng nhất:

• Khối lượng và diện tích bề mặt xúc tác
• Số mol trung tâm hoạt động
• Định lượng sản phẩm theo thời gian

Các đại lượng phổ biến bao gồm:

$\text{TOF} = \frac{\text{mol sản phẩm}}{\text{mol xúc tác} \times \text{thời gian}}$

$\text{TON} = \frac{\text{mol sản phẩm}}{\text{mol xúc tác}}$

Nature Catalysis (2021) nhấn mạnh rằng đánh giá hiệu suất xúc tác cần minh bạch, có thể tái lập và nên được báo cáo trong đơn vị chuẩn để thuận lợi cho so sánh liên ngành và triển khai công nghệ thực tế.

Tài liệu tham khảo

1. ScienceDirect. Catalytic Activity. https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/catalytic-activity
2. Nature Reviews Materials. Mechanistic understanding of catalytic activity. https://www.nature.com/articles/s41578-020-00236-3
3. Nature Catalysis. Reporting catalytic performance. https://www.nature.com/articles/s41929-021-00719-z
4. Catalysis-Hub. Open Data Platform. https://catalysis-hub.org
5. ACS Catalysis. https://pubs.acs.org/journal/accacs