Hãy điền vào mẫu bên dưới và chúng tôi sẽ gửi cho bạn phiên bản PDF của bài báo “Những cải tiến công nghệ mới để chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu lỏng” qua email.
Carbon dioxide (CO2) là sản phẩm của quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch và là khí nhà kính phổ biến nhất, có thể được chuyển đổi trở lại thành nhiên liệu hữu ích một cách bền vững. Một phương pháp đầy hứa hẹn để chuyển đổi khí thải CO2 thành nguyên liệu nhiên liệu là quá trình khử điện hóa. Tuy nhiên, để khả thi về mặt thương mại, quá trình này cần được cải tiến để lựa chọn hoặc sản xuất ra nhiều sản phẩm giàu carbon mong muốn hơn. Giờ đây, như đã được báo cáo trên tạp chí Nature Energy, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) đã phát triển một phương pháp mới để cải thiện bề mặt của chất xúc tác đồng được sử dụng cho phản ứng phụ trợ, từ đó tăng tính chọn lọc của quá trình.
“Mặc dù chúng ta biết rằng đồng là chất xúc tác tốt nhất cho phản ứng này, nhưng nó không mang lại tính chọn lọc cao cho sản phẩm mong muốn,” Alexis Spell, nhà khoa học cấp cao tại Khoa Khoa học Hóa học thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley và là giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học California, Berkeley, cho biết. “Nhóm của chúng tôi đã phát hiện ra rằng bạn có thể sử dụng môi trường cục bộ của chất xúc tác để thực hiện nhiều thủ thuật khác nhau nhằm đạt được tính chọn lọc như vậy.”
Trong các nghiên cứu trước đây, các nhà nghiên cứu đã thiết lập các điều kiện chính xác để tạo ra môi trường điện và hóa học tốt nhất cho việc tạo ra các sản phẩm giàu carbon có giá trị thương mại. Nhưng những điều kiện này lại trái ngược với các điều kiện tự nhiên xảy ra trong các pin nhiên liệu thông thường sử dụng vật liệu dẫn điện gốc nước.
Để xác định thiết kế có thể sử dụng trong môi trường nước của pin nhiên liệu, như một phần của dự án Trung tâm Đổi mới Năng lượng thuộc Liên minh Ánh nắng Lỏng của Bộ Năng lượng, Bell và nhóm của ông đã chuyển sang sử dụng một lớp màng mỏng ionomer, cho phép một số phân tử tích điện (ion) đi qua và loại trừ các ion khác. Nhờ đặc tính hóa học có tính chọn lọc cao, chúng đặc biệt thích hợp để tạo ra tác động mạnh mẽ đến môi trường vi mô.
Chanyeon Kim, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm Bell và là tác giả chính của bài báo, đã đề xuất phủ bề mặt chất xúc tác đồng bằng hai loại ionomer thông dụng là Nafion và Sustainion. Nhóm nghiên cứu giả thuyết rằng việc làm này sẽ thay đổi môi trường xung quanh chất xúc tác—bao gồm độ pH, lượng nước và carbon dioxide—theo một cách nào đó để định hướng phản ứng tạo ra các sản phẩm giàu carbon, có thể dễ dàng chuyển đổi thành các hóa chất hữu ích và nhiên liệu lỏng.
Các nhà nghiên cứu đã phủ một lớp mỏng mỗi loại ionomer và một lớp kép gồm hai ionomer lên một màng đồng được hỗ trợ bởi vật liệu polymer để tạo thành một lớp màng, mà họ có thể đặt gần một đầu của một tế bào điện hóa hình bàn tay. Khi bơm khí carbon dioxide vào pin và cấp điện áp, họ đã đo tổng dòng điện chạy qua pin. Sau đó, họ đo lượng khí và chất lỏng thu được trong bình chứa liền kề trong quá trình phản ứng. Đối với trường hợp hai lớp, họ nhận thấy rằng các sản phẩm giàu carbon chiếm 80% năng lượng tiêu thụ bởi phản ứng—cao hơn 60% trong trường hợp không phủ lớp.
“Lớp phủ dạng sandwich này mang lại những ưu điểm vượt trội: độ chọn lọc sản phẩm cao và hoạt tính cao,” Bell cho biết. Bề mặt hai lớp không chỉ tốt cho các sản phẩm giàu carbon mà còn tạo ra dòng điện mạnh đồng thời, cho thấy sự gia tăng hoạt tính.
Các nhà nghiên cứu kết luận rằng phản ứng được cải thiện là kết quả của nồng độ CO2 cao tích tụ trong lớp phủ ngay trên bề mặt đồng. Ngoài ra, các phân tử mang điện tích âm tích tụ trong vùng giữa hai ionomer sẽ tạo ra độ axit cục bộ thấp hơn. Sự kết hợp này bù đắp cho sự đánh đổi về nồng độ thường xảy ra khi không có màng ionomer.
Để nâng cao hơn nữa hiệu quả của phản ứng, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng một công nghệ đã được chứng minh trước đây mà không cần màng ionomer như một phương pháp khác để tăng CO2 và độ pH: điện áp xung. Bằng cách áp dụng điện áp xung vào lớp phủ ionomer hai lớp, các nhà nghiên cứu đã đạt được mức tăng 250% sản phẩm giàu carbon so với đồng không phủ và điện áp tĩnh.
Mặc dù một số nhà nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các chất xúc tác mới, nhưng việc tìm ra chất xúc tác lại không tính đến các điều kiện hoạt động. Kiểm soát môi trường trên bề mặt chất xúc tác là một phương pháp mới và khác biệt.
“Chúng tôi không tạo ra một chất xúc tác hoàn toàn mới, mà đã sử dụng sự hiểu biết của mình về động học phản ứng và vận dụng kiến thức này để định hướng suy nghĩ về cách thay đổi môi trường của vị trí xúc tác,” Adam Weber, kỹ sư cao cấp, nhà khoa học trong lĩnh vực công nghệ năng lượng tại Phòng thí nghiệm Berkeley và đồng tác giả của các bài báo, cho biết.
Bước tiếp theo là mở rộng sản xuất chất xúc tác được phủ. Các thí nghiệm sơ bộ của nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Berkeley liên quan đến các hệ thống mô hình phẳng nhỏ, đơn giản hơn nhiều so với các cấu trúc xốp diện tích lớn cần thiết cho các ứng dụng thương mại. “Việc phủ một lớp lên bề mặt phẳng không khó. Nhưng các phương pháp thương mại có thể liên quan đến việc phủ lên những quả cầu đồng nhỏ xíu,” Bell nói. Việc thêm lớp phủ thứ hai trở nên khó khăn hơn. Một khả năng là trộn và lắng đọng hai lớp phủ với nhau trong dung môi, và hy vọng rằng chúng sẽ tách ra khi dung môi bay hơi. Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng không tách ra? Bell kết luận: “Chúng ta chỉ cần thông minh hơn.” Tham khảo Kim C, Bui JC, Luo X và cộng sự. Môi trường vi mô chất xúc tác tùy chỉnh để điện phân khử CO2 thành các sản phẩm đa cacbon bằng cách sử dụng lớp phủ ionomer hai lớp trên đồng. Nat Energy. 2021;6(11):1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
Bài viết này được sao chép từ tài liệu sau đây. Lưu ý: Tài liệu có thể đã được chỉnh sửa về độ dài và nội dung. Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ với nguồn đã trích dẫn.
Thời gian đăng bài: 22/11/2021
