Eli Stavitski, một nhà khoa học tại Brookhaven, cho biết: "Có rất nhiều cách để sử dụng CO. có thể cho CO phản ứng với nước để tạo ra khí hydro giàu năng lượng, và dùng hydro để tạo ra các hóa chất hữu ích như hydrocacbon hoặc rượu. Nếu có một phương pháp chuyển CO2 thành CO một cách ổn định và tiết kiệm chi phí thì sẽ rất có lợi cho xã hội".
Lâu nay các nhà khoa học đã nghiên cứu chuyển đổi CO2 thành CO, nhưng các chất điện phân truyền thống không phản ứng một cách có hiệu quả do xuất hiện phản ứng phụ chiếm ưu thế hơn phản ứng chuyển đổi CO2, gọi là phản ứng tiến hóa hydro (hydrogen evolution reaction, HER).
Một số kim loại quý, như vàng và bạch kim, có thể giúp tránh được phản ứng HER và chuyển đổi CO2 thành CO. Tuy nhiên, các vật liệu này khá hiếm và quá đắt để làm chất xúc tác khi xét về mặt hiệu quả kinh tế. Vì vậy, các nhà khoa học đã sử dụng chất xúc tác hoàn toàn mới là các nguyên tử đơn của niken.
Haotian Wang, một nghiên cứu viên chương trình Rowland Fellow tại Đại học Harvard, cũng là một tác giả của nghiên cứu, cho biết: "Kim loại nickel thông thường ít khi được chọn làm chất xúc tác để chuyển đổi CO2 thành CO vì nó đẩy mạnh quá trình diễn ra phản ứng HER và giảm quá trình biến đổi CO2. Một lý do khác là bề mặt của niken có thể dễ dàng bị tác động bởi các phân tử CO (nếu có) được sinh ra từ phản ứng".
Tuy nhiên, các nguyên tử đơn của niken thì lại khác. “Các nguyên tử đơn sẽ thúc đẩy quá trình tạo ra CO hơn là thực hiện phản ứng cạnh tranh HER, do sự khác biệt giữa bề mặt của kim loại với các nguyên tử đơn của chúng", Stavitski nói.
Klaus Attenkofer, nhà khoa học của Brookhaven và cũng là đồng tác giả, nói thêm: "Bề mặt kim loại có sự đồng nhất về năng lượng, trong khi ở nguyên tử đơn, mỗi vị trí trên bề mặt của nó đều có sự khác biệt về năng lượng”.
Ngoài các đặc tính năng lượng độc đáo của các nguyên tử đơn, phản ứng biến đổi CO2 cũng được hỗ trợ từ phản ứng của các nguyên tử niken với tấm graphene bao quanh. Viêc cố định các nguyên tử bằng tấm graphene cho phép các nhà khoa học điều chỉnh chất xúc tác và hạn chế phản ứng HER.
Để tìm hiểu kỹ hơn về các nguyên tử niken đơn lẻ trong tấm graphene mỏng, các nhà khoa học đã sử dụng kính hiển vi điện tử cắt lớp truyền dẫn (scanning transmission electron microscopy , STEM) tại Trung tâm Vật liệu nano chức năng Brookfield (CFN), một cơ sở của Bộ Năng lượng Mỹ dành cho cộng đồng khoa học. Bằng cách quét đầu dò điện tử trên mẫu, các nhà khoa học đã có thể hình dung về quá trình các nguyên tử niken tách rời nhau trên tấm graphene.
Sooyeon Hwang, một nhà khoa học tại CFN và cũng là đồng tác giả, cho biết: "kính hiển vi điện tử cắt lớp truyền dẫn hiện đại của chúng tôi là công cụ duy nhất có thể xem được các điểm cực nhỏ như các nguyên tử đơn".
"Các nguyên tử đơn thường không ổn định và có xu hướng tập trung lại. Tuy nhiên, chúng tôi phát hiện ra các nguyên tử niken được phân phối đồng nhất, tạo nên hiệu suất tuyệt vời cho phản ứng chuyển đổi", Dong Su, một nhà khoa học của CFN, cũng là đồng tác giả cho biết.
Để phân tích các thành phần hóa học phức tạp của vật liệu, các nhà khoa học đã sử dụng chùm tia beamline 8-ID tại Trung tâm National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), cũng là một cơ sở của Bộ Năng lượng Mỹ dành cho cộng đồng khoa học đặt tại Phòng thí nghiệm Brookhaven để "quan sát” chi tiết cấu trúc bên trong của vật liệu.
"Các photon tương tác với các electron trong nguyên tử niken làm cho các electron có trạng thái năng lượng cao hơn. Bằng cách lập bản đồ các trạng thái năng lượng này, chúng ta có thể hiểu cấu trúc điện tử và trạng thái hóa học của vật liệu. Khi tăng năng lượng của các photon, chúng sẽ đẩy electron ra khỏi nguyên tử và tương tác với các nguyên tố lân cận", Stavitski nói. Nhờ vậy, các nhà khoa học có được hình ảnh cấu trúc của các nguyên tử niken.
Dựa trên kết quả của các nghiên cứu tại Harvard, NSLS-II, CFN và các cơ quan nghiên cứu khác, các nhà khoa học phát hiện ra các nguyên tử niken đơn có thể làm xúc tác phản ứng chuyển đổi CO2 với hiệu suất đến 97%. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc tái chế CO2 thành các dạng năng lượng và hóa chất sử dụng được.
"Để có thể ứng dụng công nghệ này vào thực tiễn, chúng tôi hiện đang hướng đến sản xuất chất xúc tác nguyên tử đơn theo quy mô lớn và rẻ tiền hơn, đồng thời nâng cao hiệu suất và duy trì hiệu quả của nó”, Wang nói.