Ứng dụng của các hạt nano vàng trong công nghiệp hóa chất

Khi kinh tế thế giới rơi vào suy thoái, vàng đã trở thành công cụ đầu tư nổi bật trong thế giới tài chính, Cuối năm 2009, giá vàng trên thị trường quốc tế đã lên đến 1200 USD/ ounce. Tuy vàng giá trị kinh tế cao như vậy, nhưng ứng dụng của nó trong công nghiệp vẫn rất được quan tâm, vì những đột phá về công nghệ đã mở ra cơ hội ứng dụng mới cho loại vật liệu đắt tiền này. Đó là sự ra đời của màng mỏng hay các hạt nano vàng, tuy chỉ sử dụng một lượng cực nhỏ nhưng vẫn có được các tính chất và độ bền của vàng.

Trước đây, các kim loại quý như platin, bạc thường được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xúc tác. Chỉ đến cuối thập niên 1980, vàng mới được quan tâm một cách đặc biệt. Trong các phản ứng hóa học, vàng có thể thay thế nhiều chất xúc tác quý hiếm. Các nhà nghiên cứu Nhật Bản và Nam Phi đã chứng minh rằng, vàng có thể làm chất xúc tác cho quá trình oxy hóa khí cacbon monooxit (CO) và quá trình hydroclorua hóa axetylen. Từ đó đến nay, vàng được sử dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực xúc tác.

Một trong những phản ứng thành công nhất có sử dụng xúc tác vàng là quá trình sản xuất mononme vinyl axetat (VAM) - thành phần quan trọng trong hệ nhũ tương polyme, nhựa và sản phẩm trung gian để sản xuất sơn, keo dán, vải dệt,...

Ngoài ra, vàng còn được sử dụng trong nhiều quá trình sản xuất công nghiệp quan trọng, chẳng hạn quá trình oxy hóa có chọn lọc các loại đường, sản xuất metyl glycolat và phản ứng khí hóa than.

Ứng dụng trong xử lý môi trường

Hiện nay, một thách thức lớn về mặt môi trường là tình trạng ô nhiễm thủy ngân ở nhiều nơi trên thế giới. Thủy ngân là chất có độc tính cao, thường có mặt trong các mỏ khoáng chất trên khắp thế giới. Mỗi năm, có khoảng 150 tấn thủy ngân bị thải vào khí quyển, trong đó 1/3 là từ khí thải của các lò hơi đốt than. Nhiễm độc thủy ngân có thể gây ra một số căn bệnh như bệnh alzheimer, chứng tự kỷ,... Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) đã đặt ra những giới hạn nghiêm ngặt về phát thải thủy ngân ở nồi hơi của các nhà máy điện. Nhiệm vụ cấp bách hiện nay là tìm ra giải pháp để ngăn chặn có hiệu quả sự phát tán thủy ngân vào khí quyển.

Một vấn đề nghiêm trọng khác là tình trạng ngộ độc khí CO. Theo thống kê, mỗi năm tại Mỹ có hơn 4000 người bị ngộ độc khí CO, trong đó 10% các trường hợp dẫn đến tử vong.

Theo nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Công nghệ năng lượng quốc gia Mỹ (NETL), các hạt nano vàng có thể xúc tác quá trình oxy hóa thủy ngân để thu giữ hơi thủy ngân. Những thí nghiệm quy mô lớn hiện đang thực hiện tại một số nhà máy điện của Mỹ.

Các nhà khoa học cũng đã chứng minh rằng, các hạt nano vàng có thể tham gia phản ứng oxy hóa CO ở nhiệt độ thấp để tạo thành CO ₂. Trên thực tế, nhiều nhân viên cứu hỏa và thợ mỏ đã sử dụng mặt nạ phòng hơi độc có chứa xúc tác nano vàng để tránh ngộ độc khí CO.

Ứng dụng trong xử lý nước

Nguồn nước trên thế giới phân bố không đều, ngày càng cạn kiệt và chất lượng suy giảm do nhiễm mặn hoặc nhiễm các hóa chất như các chất thải công nghiệp, các kim loại nặng, thuốc trừ sâu và các chất hữu cơ halogen hóa. Đó là những hóa chất phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới và điều này đồng nghĩa với việc hiện nay có hàng triệu người đang có nguy cơ tiếp xúc với nước uống bị ô nhiễm.

Những năm gần đây, vai trò của các hạt nano vàng đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt. Ngoài khả năng oxy hóa thủy ngân trong các khí thải, các hạt nano vàng còn là những chất hấp phụ hiệu quả để loại bỏ một lượng lớn thủy ngân ra khỏi các nguồn nước.

Một bước đột phá mới đây trong công nghệ xử lý nước là việc phát triển các hạt nano lưỡng kim vàng - palađi có hoạt tính xúc tác cao, có khả năng phân hủy các hợp chất hydrocacbon clo hóa, chẳng hạn tri-cloetan (TCE). TCE là chất tẩy dầu mỡ được dùng trong các ngành công nghiệp điện tử, sản xuất xe ô tô và cũng thường được sử dụng trong sản xuất hóa chất. Tuy nhiên, TCE ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, có thể làm tổn thương gan, ảnh hưởng đến thai nhi và gây ung thư.

Ở nhiệt độ phòng và khi có mặt xúc tác palađi, hydro có khả năng phân hủy TCE và các hợp chất clo hóa trong nước:

CHCI = CCl ₂+ 4 H ₂-> CH ₃CH ₃+ 3HCI

Nhưng do giá thành cao nên xúc tác palađi vẫn chưa được sử dụng phổ biến.

Để giải quyết vấn đề này, một nhóm nghiên cứu người Mỹ đã phủ palađi lên các hạt nano vàng. Mặc dù vàng đắt hơn palađi nhiều nhưng bù lại hợp kim này có khả năng xúc tác các phản ứng hóa học tốt hơn hai bậc so với palađi. Hơn thế nữa, việc sử dụng vàng có thể ngăn ngừa được hiện tượng ngộ độc xúc tác.

Triển vọng tương lai

Giá trị khoa học của vàng vẫn đang tiếp tục được khám phá. Những thành tựu của công nghệ nano vàng đang mở ra những hướng nghiên cứu mới đầy thú vị về kim loại này. Trong những năm gần đây, số lượng các bài báo và công trình liên quan đến việc ứng dụng các hạt nano vàng liên tục tăng và hiện lên đến hàng nghìn công trình mỗi năm. Những nghiên cứu này cũng đã mang lại những thành quả thực tế bước đầu.

Các nhà khoa học tin rằng, trong tương lai kim loại quý này sẽ có nhiều ứng dụng hữu ích hơn nữa trong công nghiệp hóa chất.