Trong các nguồn năng lượng trên, nhiên liệu sinh học phát triển mạnh nhất do tiềm năng lớn và có công nghệ không quá đắt đỏ. Nhiên liệu sinh học hiện hiện nay chủ yếu là diesel sinh học và cồn sinh học. Các nhiên liệu sinh học này được điều chế từ các nguồn dầu động thực vật hay từ tinh bột. Mặc dù đã được thương mại hóa nhưng sản lượng nhiên liệu sinh học đi từ các nguồn trên bị hạn chế rất nhiều do phụ thuộc vào nguồn cung là các cây cho dầu hay các nguồn mỡ động vật thải. Ngoài ra cồn sinh học đi từ nguồn tinh bột gây nên vấn đề cạnh tranh đất đai trồng cây lương thực. Để giải quyểt vấn đề nay, thế hệ nhiên liệu sinh học được sản xuất trực tiếp từ lignoxenlulo, nói cách khác từ các cây gỗ, đã được đặt ra từ lâu. Đây là nguồn cung rất dồi dào, không ảnh hưởng đến đất trồng cây lương thực và có thể tận dụng các nguồn gỗ phế thải (rơm rạ, gỗ vụn, ...).
HMF (5-hydroxymethylfurfuran) là một trong những mắt xích quan trọng trong chuỗi chuyển hóa để hình thành xăng sinh học, diesel sinh học. Không những thế, các nghiên cứu gần đây còn cho thấy HMF còn có thể làm tiền chất để tổng hợp nên các vật liệu khác có nhiều ứng dụng trong đời sống như: axit levunic (tiền chất trong hóa dược, làm phụ gia), axit 2,5-furandicarboxylic (FDA: polymer sinh học), ...
Với tiềm năng ứng dụng to lớn của HMF đi từ nguồn sinh khối, việc có thể tìm ra các công nghệ tổng hợp tiến tiến là xu thế tất yếu. Các hướng nghiên cứu đi mạnh về các quá trình tổng hợp trên cơ sở xúc tác axit rắn nhằm đảm bảo cho quá trình tách sản phẩm dễ dàng. Trong xu thế tất yếu về vấn đề bảo vệ môi trường, các thế hệ công nghệ gần đây đều hướng đến tìm kiếm các vật liệu thân thiện môi trường, có khả năng tái tạo (tạo chu trình kín, không có phụ phẩm độc hại).
Việc đề xuất hướng nghiên cứu đến các xúc tác axit trên cơ sở khung cacbon là một hướng đi có triển vọng. Các khung cacbon này có thể đi từ các nguồn sinh khối sẵn có trong tự nhiên, và do đó hoàn toàn thân thiện với môi trường, có thể tái tạo. Một yếu tố khác quan trọng trong hướng nghiên cứu tổng hợp HMF là dung môi sử dụng. Để sản phẩm HMF có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, chi phí tổng hợp phải thấp. Hiệu suất phản ứng phải cao, độ chọn lọc cao là một trong các yếu tố quan trọng để giảm giá thành.
Nhằm nghiên cứu, tổng hợp các loại xúc tác dị thể, đánh giá các đặc trưng cấu trúc, hình thái của xúc tác, hoạt tính các xúc tác trong phản ứng chuyển hóa fructozơ thành 5hydroxymethylfurfuran (HMF) cũng như các thông số ảnh hưởng đến độ chọn lọc HMF và nghiên cứu các hệ dung môi nhằm tăng độ chọn lọc HMF, nhóm nghiên cứu do PGS. TS. Nguyễn Thanh Bình, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đứng đầu đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Tổng hợp, đánh giá hoạt tính xúc tác axit cho phản ứng chuyển hóa fructozơ thành 5-hydroxylmethyfurfural, tiền chất cho tổng hợp polymer sinh học và nhiên liệu sinh học”.
Sau một thời gian triển khai, nhóm đã thu được các kết quả sau:
Hai nhóm xúc tác siêu axit và xúc tác axit trên cơ sở khung carbon đã được tổng hợp và nghiên cứu hoạt tính trong phản ứng chuyển hóa fructozơ thành 5-hydroxymethylfufural. Các xúc tác đã được đánh giá cấu trúc và tính chất bề mặt bằng các phương pháp hóa lý như XRD, IR, SEM-EDS. Các kết quả XRD cho thấy các pha tinh thể của siêu axit ZrO2.SO4, Ag3PW12O40. Phổ IR cũng chỉ ra sự tồn tại của các nhóm SO42-, và -SO3H trên bề mặt xúc tác siêu axit ZrO2.SO4 và xúc tác axit khung carbon, AC-SO3H và Amberlyst 15.
Trên nhóm xúc tác khung carbon, kết quả SEM-EDS cho thấy sự tồn tại của S với hàm lượng là 19%, 0,2% tương ứng với xúc tác Amberlyst-15, ACSO3H. Kết quả nghiên cứu độ chuyển hóa fructose thành 5-hydroxymethylfurfural cho hiệu xuất chuyển hóa cực đại tương ứng như sau: Amberlyst-15 (82%) > AC-SO3H (58%) > ZrO2.SO4 (32%) > Ag3PW12O40 (35%).
Từ kết quả trên cho thấy nhóm xúc tác siêu axit xúc tác cho chuyển hóa ở nhiệt độ thấp hơn so với xúc tác axit khung carbon. Điều này có thể liên quan đến lực axit mạnh hơn trên nhóm xúc tác này. Tuy nhiên xét về độ chuyển hóa cực đại HMF thu được, nhóm xúc tác khung carbon đã cho kết quả tốt hơn. Điều này cho thấy, khả năng là các số tâm xúc tác trên các axit khung carbon nhiều hơn, và lực axit vừa phải đã hạn chế các phản ứng phụ.
Trong nhóm xúc tác này, khi so sánh hiệu suất chuyển hóa cực đại với số tâm S qui hàm lượng S như là số nhóm – SO3H (tâm hoạt tính xúc tác), thì có thể thấy rằng số tâm xúc tác hiệu quả trên xúc tác AC-SO3H là nhiều hơn. Điều này có thể được giải thích bởi ảnh SEM của hai xúc tác này. Xúc tác Amberlyst-15 có dạng hạt cầu khối lớn, còn xúc tác AC-SO3H có dạng lớp. Như vậy, các ―tâm axit hiệu quả‖ trong xúc tác Amberlyst-15 chỉ là các tâm nằm trên bề mặt hạt nhựa, phần nằm cuộn bên trong hạt là không hoạt động đối với phản ứng.
Trong khi, dù số nhóm –SO3H thấp hơn, nhưng với cấu trúc dạng lớp của AC, có thể thấy các nhóm –SO3H hầu như dễ dàng được tiếp cận hơn với các phân tử chất phản ứng. Điều này cho thấy với cùng hàm lượng S (hay nhóm -SO3H), xúc tác AC-SO3H có nhiều - tâm axit hiệu quả hơn.
Như vậy, có thể thấy rằng tối ưu hóa quá trình sunfonic hóa nhằm đưa nhiều hơn các nhóm -SO3H lên khung carbon của than hoạt tính là hướng nghiên cứu lý thú cần tiếp tục để nâng cao hiệu suất chuyển hóa của xúc tác này. Đây là xúc tác có nhiều hứa hẹn ứng dụng do giá thành rẻ, dễ điều chế.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 14636/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.