vật liệu thay thế được đất hiếm và kim loại quý, chi phí rẻ hơn 20.000 lần

Các nhà khoa học tại King’s College London vừa công bố một bước tiến mới trong lĩnh vực hóa học vật liệu khi phát triển thành công một dạng nhôm có tính phản ứng cao, được kỳ vọng có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào kim loại đất hiếm và kim loại quý trong công nghiệp hiện đại.

Nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Nature Communications, mô tả lần đầu tiên một hợp chất có tên gọi cyclotrialumane – cấu trúc phân tử hình tam giác được tạo thành từ ba nguyên tử nhôm liên kết với nhau. Điểm đặc biệt của cấu trúc này là sự kết hợp hiếm thấy giữa độ phản ứng mạnh và tính ổn định trong dung dịch, cho phép nó tham gia vào các quá trình hóa học phức tạp mà không bị phân hủy nhanh chóng.

Nhôm vốn là một trong những nguyên tố dồi dào nhất trong vỏ Trái Đất và có giá thành thấp hơn rất nhiều so với các kim loại quý như bạch kim hay paladi. Tuy nhiên, trong nhiều thập kỷ qua, nhôm không được xem là vật liệu xúc tác lý tưởng do thiếu tính linh hoạt hóa học – yếu tố khiến các kim loại chuyển tiếp trở thành “xương sống” của ngành hóa học công nghiệp.

Tiến sĩ Clare Bakewell, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết nhóm của bà đã tìm cách khai thác những đặc tính ít được chú ý của nhôm nhằm mô phỏng, thậm chí vượt qua, vai trò của các kim loại chuyển tiếp truyền thống. Kết quả cho thấy hợp chất trimer nhôm mới có khả năng phá vỡ các liên kết hóa học bền vững, bao gồm cả việc tách phân tử dihydrogen (H₂) – một phản ứng thường đòi hỏi các kim loại đắt tiền.

Không dừng lại ở đó, hợp chất này còn có thể thúc đẩy quá trình chèn và phát triển chuỗi ethene theo cách có kiểm soát. Ethene là phân tử hai carbon quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nhựa và nhiều hóa chất cơ bản khác. Nhóm nghiên cứu cũng ghi nhận sự hình thành các hệ vòng nhôm–carbon năm và bảy thành viên – những cấu trúc trước đây chưa từng được quan sát.

Từ lâu, các kim loại chuyển tiếp được coi là “công cụ” không thể thiếu trong xúc tác công nghiệp, giúp tạo ra dược phẩm, vật liệu polymer và hóa chất chuyên dụng. Tuy nhiên, việc khai thác các kim loại này thường tốn kém, gây tác động môi trường và phụ thuộc vào các khu vực có yếu tố địa chính trị nhạy cảm. Trong khi đó, nhôm có chi phí thấp hơn khoảng 20.000 lần so với một số kim loại quý, đồng thời sẵn có với trữ lượng lớn trên toàn cầu.

Theo các nhà nghiên cứu, hóa học nhôm trong nghiên cứu lần này không chỉ đơn thuần tái hiện cơ chế của kim loại chuyển tiếp mà còn mở ra những con đường phản ứng hoàn toàn mới. Điều này có thể tạo nền tảng cho các quy trình sản xuất hóa chất sạch hơn, tiết kiệm chi phí và ít phụ thuộc vào nguồn tài nguyên khan hiếm.