Thuận Hùng
INPC – VAST, Hà Nội, Việt Nam
Hiệu ứng nhà kính cùng vấn đề nóng lên toàn cầu đang là mối quan tâm hàng đầu hiện nay của con người do những tác động ngày càng nghiêm trọng và rõ ràng của chúng. Vì vậy, việc giảm thiểu sự phát thải cũng như giảm thiểu lượng các khí nhà kính đặc biệt là CO2 có sẵn trong môi trường là một yêu cầu cấp thiết.
Đã có rất nhiều những ý tưởng và phương pháp hướng đến mục tiêu này từ việc sử dụng các khoáng chất tạo ra từ phòng thí nghiệm để hút CO2 ra khỏi môi trường cho đến thiết bị phản ứng Caltech giúp chuyển CO2 thành khí oxi…
Mới đây nhất, một nhóm nghiên cứu do giáo sư Haotian Wang đứng đầu thuộc Trường ĐH Rice (Hoa Kỳ) đã nghiên cứu và phát triển một thiết bị phản ứng mới giúp chuyển hóa khí nhà kính CO2 thành formic acid sạch ở hàm lượng cao.
Nghiên cứu mới được công bố gần đây trên tạp chí Nature Energy.
Ảnh: Jeff Fitlow/Rice University
Thông thường, phản ứng khử CO2 (CO2 reduction reaction – CO2RR) điện hóa thường được tiến hành trong dụng dịch các chất điện li như NaCl hay KHCO3 giúp tăng khả năng truyền dẫn ion giữa các điện cực. Khi đó, các sản phẩm như formic acid được tạo thành cũng sẽ hòa tan vào dung dịch cùng với chất điện li và đòi hỏi quá trình tách đắt đỏ và tiêu hao nhiều năng lượng để thu sản phẩm sạch.
Nhưng với thiết bị phản ứng mới này, do sử dụng chất điện li pha rắn (solid state electrolyte – SSE) các ion H+ và COOH- được tạo thành sẽ kết hợp để hình thành dung dịch formic acid mà không bị trộn lẫn với các ion khác. Các chất điện li pha rắn này thường được làm từ các polyme truyền dẫn ion có gắn thêm các nhóm chức hóa học khác nhau ví dụ như polyme đồng trùng hợp styrene-divinylbenzene cấu trúc lỗ xốp, có gắn thêm nhóm chức sulfonic acid để truyền dẫn ion H+ và nhóm chức amino bậc 4 để truyền dẫn ion COOH- .
Trong khi đó, các điện cực được sử dụng là loại điện cực lớp khuếch tán khí (gas diffusion layer - GDL) được phủ xúc tác và được tách biệt với nhau bởi các màng trao đổi anion (anion exchange membrane – AEM) và cation (cation exchange membrane – CEM).
Đáng chú ý, thiết bị phản ứng được thiết kế sao cho lớp phủ xúc tác trên các điện cực tránh tiếp xúc với nước trong dung dịch giúp bảo vệ lớp xúc tác. Với thiết bị này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng loại xúc tác Bismuth chọn lọc cho formic acid với rất nhiều ưu điểm như cho hiệu suất Faraday cao (>90%), bền và dễ dàng mở rộng lên qui mô lớn.
Với việc sử dụng xúc tác này, thiết bị có thể tạo ra formic acid trong thời gian liên tục đến 100 giờ mà không ảnh hưởng nhiều đến các thành phần của thiết bị phản ứng và nồng độ formic acid đạt được có thể lên tới 12M. Nồng độ của sản phẩm được quyết định bởi tốc độ dòng nước đi qua bể chứa sản phẩm. Sơ đồ minh họa quá trình khử CO2 điện hóa sử dụng chất điện li pha rắn.
Về sản phẩm formic acid thu được, nó là một chất mang năng lượng và được coi như một loại nhiên liệu có thể sinh ra điện năng và khí CO2, khí này sau đó lại được xoay vòng trở lại để tạo ra formic acid. Đặc biệt, formic acid có khả năng chứa năng lượng gấp khoảng 1000 lần năng lượng của cùng một thể tích khí hydro, vốn là một loại khí vô cùng khó bị nén và vẫn là thách thức to lớn đối với các loại động cơ sử dụng nhiên liệu hydro.
Ngoài ra, formic acid còn là chất đầu để tổng hợp rất nhiều các hóa chất cơ bản khác. Đồng thời nhóm nghiên cứu cũng cho biết họ đang phát triển và hoàn thiện hệ thiết bị sử dụng xúc tác Cu để tạo ra các nhiên liệu có chứa từ hai nguyên tử cacbon trở lên như ethanol, n-propanol hoặc acetic acid, đây đều là những nhiên liệu có giá trị cao hơn và mang nhiều năng lượng hơn so với những nhiêu liệu chỉ có một nguyên tử cacbon như formic acid.
Rõ ràng, nhờ thiết bị mới của nhóm nghiên cứu chúng ta có thể nhìn thấy hi vọng về cuộc chiến chống biến đổi khí hậu cũng như trong lĩnh vực tổng hợp hóa học xanh. Chúng ta thử tưởng tượng rằng điện năng đến từ các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, đồng thời tạo ra được một chu trình tuần hoàn chuyển hóa CO2 thành một nhiên liệu nào đó mà không gây phát thải CO2 ra môi trường, đó thực sự là một bức tranh đầy hứa hẹn và rất đáng kì vọng.
Tài liệu tham khảo:
[1] Chuan Xia, Peng Zhu, Qiu Jiang, Ying Pan, Wentao Liang, Eli Stavitsk, Husam N. Alshareef, Haotian Wang. Continuous production of pure liquid fuel solutions via electrocatalytic CO2 reduction using solid-electrolyte devices. Nature Energy, 2019; DOI: 10.1038/s41560-019-0451-x
[2] Luke Dormehl (2019). Rice University’s new reactor can transform greenhouse gas into liquid fuel. Retrieved September 16, 2019 from: https://www.digitaltrends.com/cool-tech/rice-university-co2-liquid-fuel/
[3] Reactor turns greenhouse gas into pure liquid fuel. Retrieved September 16, 2019 from: https://www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190903084035.htm
