Khoa học tự nhiên

Tạo năng lượng sạch từ carbon dioxide (01/11/2023)

Việc chuyển đổi hiệu quả carbon dioxide thành nhiên liệu ổn định với hiệu suất trên 90% đánh dấu một bước tiến quan trọng trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu và việc tạo ra nguồn năng lượng sạch trong tương lai.

Sơ đồ sử dụng nhiên liệu từ formate. Nguồn: Đại học Harvard

Việc tách carbon dioxide (CO₂) từ không khí hoặc khí thải của nhà máy để biến nó thành nguồn năng lượng sạch là một giải pháp đầy hứa hẹn trong công cuộc tìm kiếm nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Mặc dù đã có nhiều nỗ lực nghiên cứu trong lĩnh vực này, tuy nhiên hầu hết các phương pháp chuyển đổi CO₂ hiện nay gặp khó khăn trong quá trình triển khai do hiệu suất thấp hoặc tạo ra các sản phẩm phụ dễ cháy, độc hại hoặc khó xử lý.

Các nhà nghiên cứu tại Học viện Massachusetts Institute of Technology (MIT) và Đại học Harvard đã đạt được một bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực biến đổi CO₂ thành nhiên liệu. Nhóm đã phát triển một quy trình mới: Chuyển đổi CO₂ thành formate ở dạng chất lỏng hoặc rắn, có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu và tạo ra điện giống như hydro hoặc metanol.

Theo giáo sư Ju Li - thành viên của nhóm nghiên cứu, các phương pháp hiện nay để chuyển đổi CO₂ thành nhiên liệu thường bao gồm hai giai đoạn: Đầu tiên, khí CO₂ được hấp thụ thông qua các phản ứng hóa học để trở thành các hợp chất dạng rắn như canxi cacbonat. Sau đó, các hợp chất rắn này sẽ được nung nóng để loại bỏ CO₂ và chuyển đổi nó thành nguyên liệu nhiên liệu như carbon monoxide. Tuy nhiên, giai đoạn thứ hai có hiệu suất rất thấp, thường chỉ chuyển đổi ít hơn 20% lượng khí CO₂ thành sản phẩm mong muốn.

Với quy trình mới của nhóm nghiên cứu, hiệu suất chuyển đổi CO₂ đã đạt trên 90%, loại bỏ được bước gia nhiệt kém hiệu quả. Quy trình này bắt đầu bằng việc chuyển đổi CO₂ thành dạng trung gian, bicarbonate kim loại dạng lỏng. Sau đó, chất lỏng này được chuyển đổi điện hóa thành kali formate hoặc natri formate. Cuối cùng, dung dịch kali formate hoặc natri formate sau đó có thể được sấy khô, tạo thành một loại bột rắn có độ ổn định cao và có thể được lưu trữ trong các thùng thép thông thường trong nhiều năm hoặc thậm chí nhiều thập kỷ.

Một trong những thách thức cần phải giải quyết trong các quy trình biến đổi CO₂ hiện nay là sự tích tụ của một số sản phẩm phụ hóa học làm thay đổi độ pH, khiến hệ thống dần mất hiệu quả theo thời gian. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô hình hóa nhiệt động lực học để thiết kế quy trình mới sao cho cân bằng về mặt hóa học và pH duy trì ở trạng thái ổn định và không có sự thay đổi độ axit theo thời gian. Do đó, quy trình mới này có thể tiếp tục hoạt động hiệu quả trong thời gian dài.

Một vấn đề khác trong quá trình chuyển đổi CO₂ là sự phát sinh của các phản ứng phụ không mong muốn tạo ra các sản phẩm hóa học không hữu ích. Nhóm nghiên cứu đã tìm ra cách ngăn chặn các phản ứng phụ này bằng cách đưa thêm một lớp sợi thủy tinh giàu bicarbonate "đệm" để ngăn chặn các phản ứng này.

Nhóm nghiên cứu cũng đã tạo ra một loại pin được tối ưu hóa để sử dụng nhiên liệu formate này. Các hạt formate chỉ được hòa tan trong nước và được bơm vào pin nhiên liệu khi cần thiết. Mặc dù nhiên liệu formate rắn nặng hơn nhiều so với hydro nguyên chất, nhưng khi so sánh với một bình có cùng trọng lượng, thể tích, áp suất lưu trữ hydro, kết quả cho thấy sản lượng điện của 2 bình gần tương đương nhau.

Quy trình này đã được thử nghiệm thành công ở quy mô phòng thí nghiệm, và các nhà nghiên cứu tin rằng nhiên liệu formate có tiềm năng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch và có thể đóng góp vào cuộc chiến chống biến đổi khí hậu, cung cấp nguồn năng lượng sạch và bền vững cho tương lai.

Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Cell Reports Physical Science, mở ra một triển vọng mới trong việc sử dụng CO₂ để tạo ra năng lượng sạch và bền vững.

Diệu Huyền (Cesti) – Theo Techxplore.com

Ngày cập nhật: 01/11/223

https://cesti.gov.vn/bai-viet/CTDS6/tao-nang-luong-sach-tu-carbon-dioxide-d3395db7-5061-47d4-a06e-e69e84b5d529