Hóa học tính toán với nghiên cứu khoa học và thực tế

Mặc dù Hóa học là khoa học thực nghiệm và dữ liệu thực nghiệm có sẵn cho hàng nghìn hệ hóa học. Tuy nhiên, có vô số hệ quan trọng và thú vị hơn mà không có dữ liệu thực nghiệm. Do đó, nhiều phương pháp đã được phát triển để ước tính hoặc dự đoán dữ liệu cho các hệ hóa học mới, từ các sơ đồ thực nghiệm thuần túy đến các phương pháp cơ học lượng tử tiên tiến nhất.
Chi phí năng lượng tính toán đang giảm nhanh hơn nhiều so với bất kỳ kỹ thuật thực nghiệm nào. Hơn nữa, những tiến bộ nhanh chóng trong cả lý thuyết lượng tử, phát triển thuật toán và sức mạnh của các máy tính hiện có đang khuếch đại đáng kể hiệu quả của hóa học tính toán cả về Độ chính xác và Khả năng áp dụng vào thực tế. Do đó, việc kết hợp giữa Hóa học tính toán và Thực nghiệm đang ngày càng trở nên phổ biến trên thế giới.
Hóa học tính toán có thể giúp được gì? Trong thực tế, hóa học tính toán có thể giúp xác định nhiều thông tin về hệ hóa học. Ví dụ: cấu trúc, tính chất, năng lượng, nhiệt hình thành, momen lưỡng cực, các mức năng lượng orbital (ví dụ: HOMO, LUMO), các trạng thái chuyển tiếp, trạng thái kích thích, các thông số phổ hồng ngoại, Raman, NMR, ... Các thông tin này sẽ giúp ích nhiều trong việc tìm hiểu và nghiên cứu các hệ hóa học. Dưới đây là một vài ứng dụng của Hóa học tính toán trong thực tế:

Propene là một trong những chất trung gian phản ứng chính trong quá trình nhiệt phân và đốt cháy ankan. Một lượng lớn propene đang được sử dụng làm vật liệu công nghiệp quan trọng để tổng hợp polyme và đã xảy ra những vụ tai nạn nổ nghiêm trọng. Ví dụ, 217 người thiệt mạng trong vụ tai nạn ở Los Alfaques, Tây Ban Nha, ngày 11 tháng 7 năm 1978 và 32 người thiệt mạng ở Cao Hùng, Đài Loan, vào ngày 31 tháng 7 năm 2014 do rò rỉ propene dùng trong công nghiệp.
Do đó, việc hiểu được cơ chế phản ứng đốt cháy và nhiệt phân propene rất quan trọng để cung cấp sơ đồ phản ứng tổng hợp đáng tin cậy cho quá trình đốt cháy ankan (đặc biệt là mô hình hóa sự hình thành bồ hóng) cũng như các tiêu chuẩn liên quan đến các quy định về an toàn.
Cơ chế và hằng số tốc độ phản ứng giữa C₃H₆ với nguyên tử H đã được nghiên cứu sử dụng hóa học tính toán. Kết quả tính toán cho thấy phù hợp tốt với thực nghiệm; ngoài ra, các tính toán đã thực hiện trong khoảng điều kiện rộng về nhiệt độ và áp suất, điều mà thực nghiệm khó tiến hành (Hình 1,2).

Sự lắng đọng hơi hóa học plasma tăng cường (PECVD) là công nghệ được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp bán dẫn để chế tạo màng cacbua silic vô định hình. Trong điều kiện PECVD, các ion silic của SiH⁴⁺, SiH³⁺ và SiH²⁺ tồn tại cùng với H, H₂,…; các chất có thể tiếp tục phân hủy hoặc phản ứng với nhau. Kết quả là, các loại ion ảnh hưởng đến nồng độ của tất cả các loại trong pha khí, điều này có ảnh hưởng mạnh mẽ đến chất lượng của sản phẩm thu được (Hình 3).
Cấu trúc của tất cả các phân tử và ion trung gian trong hệ đều được xác định một cách khá thuận lợi với độ chính xác cao dựa vào hóa học tính toán. Từ đó, cho phép nghiên cứu phản ứng giữa chúng và tìm ra các điều kiện tối ưu ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm (Hình 4).

Kỹ thuật tạo khiếm khuyết (Defect engineering) là yếu tố then chốt để điều chỉnh các đặc tính đa chức năng của oxit kim loại (ZnO, …), chẳng hạn như cấu trúc nguyên tử hoặc điện tử, vận chuyển điện tích, hấp thụ quang và hiệu suất xúc tác.
Đối với quá trình biến đổi ZnO bằng H₂, các tính toán lý thuyết đã chỉ ra cơ chế phản ứng và cấu trúc điện tử của các cấu tử trung gian, trạng thái chuyển tiếp. Ngoài ra, các kết quả tính toán còn gợi ý rằng sản phẩm thu được có tính chất quang xúc tác vượt trội so với ZnO ban đầu (Hình 5, 6).
Từ đó, quá trình hydrogen hóa ZnO đã được thực hiện tạo ra một bề mặt không theo tỷ lệ HZnO1-x thông qua các lỗ trống oxy, tạo ra các trung tâm Zn không bão hòa thúc đẩy phản ứng quang điện hóa thông qua việc điều chỉnh cấu trúc điện tử. Các cực quang CQD/HZnO1-x/ZnO có hoạt tính quang tăng gấp năm lần so với ZnO NR và duy trì hiệu suất cao đó trong 24 giờ hoạt động. Những phát hiện trong nghiên cứu này cung cấp một hướng đi mới đối với các quang điện cực có thể mang lại không chỉ quá trình quang xúc tác được tăng cường đáng kể mà còn đáp ứng sự ổn định cho các ứng dụng thực tế.