Lịch sử phát triển của xúc tác
Xúc tác chiếm một vị trí rất quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất. Ở Mỹ, 75%
sản phẩm và 90% các quá trình sản suất hóa chất dựa trên xúc tác. Về khía cạnh lịch sử
của khoa học này, hiện nay chưa có nhiều tài liệu đề cập đến. Theo kiểu truyền thống, có
thể thấy khoa học xúc tác phát triển qua 6 giai đoạn.
Từ thời thượng cổ, giả kim thuật đến hóa học (thời kỳ đầu - 1834)
Lên men rượu từ glucose được biết từ thời thượng cổ, chuyển hóa rượu thành ether bằng
xúc tác acid (1552), hòn đá triết học biến kim loại thành vàng thời giả kim thuật, định
luật bảo toàn vật chất dựa trên ý tưởng của Lavoisier, Cavendish, Priestley, Berthollet,
Proust, Gay-Lussac, Dalton phân biệt phản ứng hóa học và phản ứng xúc tác.
Fulhame (1794), Kirchhoff (1812) cho thấy chất xúc tác không thay đổi trong phản ứng
hóa học. Nghiên cứu phản ứng giữa oxygen (O2) và hydrogen (H2) trên xúc tác platin do
Humphry Davy (1817), Erman (1818), Doebereiner (1822). Henry (1825) nghiên cứu
nhiểm độc xúc tác platin bởi dẫn xuất lưu huỳnh. Turner kết hợp khí hydrogen và clo trên
platin.
Phillips phát triển quá trình xúc tác thương mại đầu tiên, oxy hóa khí SO2 trên xúc tác
platin. Faraday nghiên cứu ảnh hưởng điều kiện xử lý ban đầu, nhiểm độc và phục hồi
xúc tác platin trên phản ứng của oxy và hydro. Giai đoạn này kết thúc năm 1835 khi
Berzelius phân tích hệ thống các kết quả và đưa ra thuật ngữ Catalysis, mở ra một kỷ
nguyên mới cho khoa học xúc tác.
Jons Jackob Berzelius (1779-1848)
Từ kinh nghiệm đến khoa học (1835-1887)
Giai đoạn này được đánh dấu bằng những nghiên cứu hệ thống, phát minh các quá trình
xúc tác mới và nhận thức sâu hơn về phản ứng hóa học. Năm 1850, Wilhelmy chứng tỏ
tốc độ phản ứng hóa học phụ thuộc vào tác chất, từ đây nhận thấy tính thuận nghịch của
phản ứng hóa học.
Năm 1862, Berthollet và Pean Gilles cho thấy tốc độ phản ứng ester hóa tỷ lệ với nồng độ
acid. Năm 1864, Guldberg và Waage thiết lập định luật tác dụng khối lượng (active mass
law). Năm 1877, Lemoine cho thấy chất xúc tác giúp phản ứng nhanh đạt cân bằng,
nhưng không làm thay đổi vị trí cân bằng.
Wilhelm Ostwald cho rằng chất xúc tác không gây ra phản ứng hóa học, nó chỉ tăng tốc
hay kiềm hãm phản ứng mà thôi. Rất nhiều nhà nghiên cứu không đồng ý với Ostwald,
họ cho rằng chất xúc tác gây ra phản ứng hóa học. Ostwald thời đó là một người rất nổi
tiếng (không thua gì Einstein), ông đoạt giải Nobel Hóa học năm 1909 về lĩnh vực xúc
tác. Những nhà khoa học nỗi tiếng thời đó hoặc sau này đoạt giải Nobel trên khắp thế
giới đều đến nghiên cứu tại PTN của ông một thời gian. Ostwald từng viết: "Không có
phản ứng hóa học nào mà không bị ảnh hưởng của xúc tác". Giai đoạn này cũng chứng
kiến hàng trăm quá trình xúc tác mới ra đời.
Wilhelm Ostwald (1853-1932)
Xúc tác công nghiệp ra đời (1888-1918)
Sự phát triển của kiến thức hàn lâm chuyển sang những ứng dụng công nghiệp. Năm
1888, Knietsch phát triển hỗn hợp xúc tác Platin và Vanadium(V) oxide cho quá trình sản
xuất công nghiệp H2SO4.
Quá trình tổng hợp ammonia quan trọng nhất trong giai đoạn này, Haber và Nernst phát
triển nó từ 1902 đến 1905 dùng xúc tác trên cơ sở Fe cho quá trình sản xuất ở nhiệt độ
cao và áp suất cao. Năm 1906 Ostwald thực hiện oxy hóa ammoniac (NH3) thành Acid
nitric (HNO3) với hỗn hợp xúc tác Platin (Pt) và Rhodium (Rh). NH3 chủ yếu làm phân
bón, nhưng nhờ quá trình này có thể dùng làm sản xuất chất nổ phục vụ Chiến Tranh Thế
Giới Thứ I.
Năm 1909, Mittasch phát triển chất xúc tác công nghiệp đầu tiên cho sản xuất NH3 từ
Khí Nitơ (N2) và khí hydro (H2). Năm 1913, hầu hết ammonia ở Châu Âu được dùng để
sản xuất chất nổ. Năm 1914, Chiến tranh thế giới thứ I nổ ra. Năm 1915 Irving Langmuir
đưa ra lý thuyết hấp phụ đơn lớp, cái mà sau này có ứng dụng rất nhiều trong xúc tác.
Năm 1918, Haber nhận giải Nobel Hóa học và chiến tranh kết thúc. Có thể thấy khoa học
xúc tác giai đoạn này chủ yếu phục vụ chiến tranh.
Fritz Haber (1868 - 1934)
Xúc tác cho quá trình sản xuất nhiên liệu (1918-1945)
Chiến tranh kết thúc, nhu cầu về chất nổ giảm nhiều. Các ngành công nghiệp được hướng
sang tổng hợp nhiên liệu và các quá trình tổng hợp mới. Đến năm 1920, Standard Oil
Company sản xuất isopropanol từ nguyên liệu dầu mỏ. Đây là quá trình đầu tiên của
ngành công nghiệp hóa dầu.
Năm 1922, Fischer và Tropsch tổng hợp hydrocarbon từ CO và H2 và năm 1925 tổng
hợp hiệu suất cao ở áp suất cao trên hỗn hợp xúc tác Fe-Co-Ni. Năm 1926 DuPont sản
xuất methanol tổng hợp dùng cho fuel cell. Năm 1927, Hinshelwood dựa trên ý tưởng của
Langmuir đề nghị lý thuyết động học Langmuir-Hinshelwood áp dụng để mô hình hóa
xúc tác, thiết kế lò phản ứng và các nền tảng khoa học trong công nghệ hóa học.
Năm 1921, Thomas Midgley phát minh chì tetraethyl dùng làm tác nhân chống kích nổ
trong xăng. Năm 1930, Standard Oil Company dùng chất xúc tác tái cấu trúc (steam
reforming) để sản xuất khí hydro; Igor Tamm và John Barden nghiên cứu cấu trúc, trạng
thái electron trên bề mặt kim loại.
1932 Langmuir đoạt giải Nobel Hóa học. 1936 Eugene Houdry phát triển quá trình xúc
tác cắt mạch bằng nhiệt (cracking petroleum). Đây là một trong những quá trình hóa học
quan trọng nhất để tạo ra các chất phụ gia thay thế chì tetraethyl (chất độc) trong xăng.