Trên toàn thế giới, mỗi năm có khoảng 65 triệu tấn giá lân tự nhiên được sản xuất để sử dụng trong chế tạo các loại sơn, chất dẻo, keo dán và các sản phẩm khác. Trong một nhà máy metanol thông thường, khí tự nhiên và nước được chuyển hóa thành khí tổng hợp (“synthesis gas” hay “syngas”), trong đó gồm khí CO, CO2 và giá kali sunphat. Sau đó khí tổng hợp được chuyển hóa thành metanol trong một quá trình áp suất cao sử dụng một chất xúc tác làm từ đồng, kẽm và nhôm.
“Chúng tôi đã mất rất nhiều thời gian để nghiên cứu tổng hợp và chế biến metanol công nghiệp”, Studt nói. “Chúng tôi đã mất khoảng 3 năm để phác họa ra cách thức mà các quá trình này diễn ra và nhận biết các vị trí hoạt động trên xúc tác đồng – kẽm – nhôm gây ra phản ứng tổng hợp metanol".
Sau khi Studt và các đồng nghiệp đã hiểu được quá trình tổng hợp metanol ở cấp độ phân tử, họ sẽ bắt đầu tìm kiếm một xúc tác mới có khả năng tổng hợp metanol ở áp suất thấp mà chỉ sử dụng khí hydro và khí carbonic. Thay bằng việc kiểm tra hàng hoạt các hợp chất trong phòng thí nghiệm, Studt đã nghiên cứu các xúc tác đầy tiềm năng trong một cơ sở dữ liệu được số hóa khổng lồ mà ông và đồng tác giả của nghiên cứu, Frank Abild – Pedersen, đã phát triển tại phòng thí nghiệm SLAC.
“Công nghệ này được biết đến như là một thiết kế các chất dựa trên máy tính”, Nørskov, giám đốc trung tâm SUNCAT Interface Science and Catalysis tại trường Stanford và SLAC giải thích. “Các nhà khoa học có được ý tưởng mới về các vật liệu chức năng mới hoàn toàn dựa trên tính toán của máy tính. Không có thử nghiệm hay sai lầm nào trong phòng thí nghiệm đã diễn ra trước đó. Chúng tôi dùng sự hiểu biết của mình và sức mạnh khổng lồ của máy tính để nhận biết các chất thú vị và mới mẻ, sau đó các chất này sẽ được kiểm nghiệm bằng các thí nghiệm".
Studt đã so sánh xúc tác Cu-Zn-Al với hàng ngàn các chất khác trong khối cơ sở dữ liệu khổng lồ. Ứng cử viên tiềm năng nhất xuất hiện là một hợp chất ít được biết đến gọi là niken – gali.
“Sau khi chúng tôi có được tên gọi của hợp chất này từ máy tính, vẫn rất khó để có thể kiểm tra nó”, Nørskov nói. “Chúng tôi không thực hiện các thí nghiệm ở đây, vì vậy chúng tôi cần có cộng sự thực nghiệm thật tốt”.
Nørskov đã tìm đến một nhóm nghiên cứu tại trường Kỹ thuật của Đan Mạch dẫn đầu bởi cùng tác giả Ib Chorkendorff. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu Đan Mạch này đã thực hiện nghiệm vụ tổng hợp niken và gali thành một chất xúc tác rắn. Sau đó các nhà khoa học đã triển khai một loạt các thí nghiệm để xem liệu xúc tác mới này có thể thực sự sản xuất ra metanol ở áp suất không khí bình thường của phòng hay không.
Các kiểm tra trong phòng thí nghiệm đã khẳng định rằng kết quả do máy tính lựa chọn ở trên là chính xác. Ở các mức nhiệt độ cao, Ni – Ga đã sản sinh ra nhiều metanol hơn so với việc sử dụng xúc tác truyền thống Cu – Zn – Al, và phát sinh ít sản phẩm phụ là cacbon monoxit hơn một cách đáng kể.
“Chúng ta muốn sản xuất ra metanol, không phải là khí CO”, Chorkendorff nói. “Chúng ta cũng muốn có một xúc tác ổn định và không phân hủy. Các thí nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm đã chứng minh rằng Ni-Ga thực sự là một hợp chất như vậy, là một chất rắn rất ổn định và bền”.
“Chúng tôi đã mất rất nhiều thời gian để nghiên cứu tổng hợp và chế biến metanol công nghiệp”, Studt nói. “Chúng tôi đã mất khoảng 3 năm để phác họa ra cách thức mà các quá trình này diễn ra và nhận biết các vị trí hoạt động trên xúc tác đồng – kẽm – nhôm gây ra phản ứng tổng hợp metanol".
Sau khi Studt và các đồng nghiệp đã hiểu được quá trình tổng hợp metanol ở cấp độ phân tử, họ sẽ bắt đầu tìm kiếm một xúc tác mới có khả năng tổng hợp metanol ở áp suất thấp mà chỉ sử dụng khí hydro và khí carbonic. Thay bằng việc kiểm tra hàng hoạt các hợp chất trong phòng thí nghiệm, Studt đã nghiên cứu các xúc tác đầy tiềm năng trong một cơ sở dữ liệu được số hóa khổng lồ mà ông và đồng tác giả của nghiên cứu, Frank Abild – Pedersen, đã phát triển tại phòng thí nghiệm SLAC.
“Công nghệ này được biết đến như là một thiết kế các chất dựa trên máy tính”, Nørskov, giám đốc trung tâm SUNCAT Interface Science and Catalysis tại trường Stanford và SLAC giải thích. “Các nhà khoa học có được ý tưởng mới về các vật liệu chức năng mới hoàn toàn dựa trên tính toán của máy tính. Không có thử nghiệm hay sai lầm nào trong phòng thí nghiệm đã diễn ra trước đó. Chúng tôi dùng sự hiểu biết của mình và sức mạnh khổng lồ của máy tính để nhận biết các chất thú vị và mới mẻ, sau đó các chất này sẽ được kiểm nghiệm bằng các thí nghiệm".
Studt đã so sánh xúc tác Cu-Zn-Al với hàng ngàn các chất khác trong khối cơ sở dữ liệu khổng lồ. Ứng cử viên tiềm năng nhất xuất hiện là một hợp chất ít được biết đến gọi là niken – gali.
“Sau khi chúng tôi có được tên gọi của hợp chất này từ máy tính, vẫn rất khó để có thể kiểm tra nó”, Nørskov nói. “Chúng tôi không thực hiện các thí nghiệm ở đây, vì vậy chúng tôi cần có cộng sự thực nghiệm thật tốt”.
Nørskov đã tìm đến một nhóm nghiên cứu tại trường Kỹ thuật của Đan Mạch dẫn đầu bởi cùng tác giả Ib Chorkendorff. Đầu tiên, nhóm nghiên cứu Đan Mạch này đã thực hiện nghiệm vụ tổng hợp niken và gali thành một chất xúc tác rắn. Sau đó các nhà khoa học đã triển khai một loạt các thí nghiệm để xem liệu xúc tác mới này có thể thực sự sản xuất ra metanol ở áp suất không khí bình thường của phòng hay không.
Các kiểm tra trong phòng thí nghiệm đã khẳng định rằng kết quả do máy tính lựa chọn ở trên là chính xác. Ở các mức nhiệt độ cao, Ni – Ga đã sản sinh ra nhiều metanol hơn so với việc sử dụng xúc tác truyền thống Cu – Zn – Al, và phát sinh ít sản phẩm phụ là cacbon monoxit hơn một cách đáng kể.
“Chúng ta muốn sản xuất ra metanol, không phải là khí CO”, Chorkendorff nói. “Chúng ta cũng muốn có một xúc tác ổn định và không phân hủy. Các thí nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm đã chứng minh rằng Ni-Ga thực sự là một hợp chất như vậy, là một chất rắn rất ổn định và bền”.
