Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, các nhà khoa học đã đạt được một bước tiến quan trọng trong công nghệ biến chất thải thành nhiên liệu. Một quy trình điện hóa mới, sử dụng các gai nano carbon và đồng, có khả năng biến đổi carbon dioxide (CO2) – một khí nhà kính gây hại – thành etanol. Phát hiện đột phá này, kết hợp giữa công nghệ nano và khoa học xúc tác, đến một cách đầy bất ngờ.
Phát Hiện Tình Cờ và Cơ Chế Độc Đáo Của Quá Trình Chuyển Hóa Etanol CO2
Nhóm nghiên cứu, dưới sự dẫn dắt của Adam Rondinone từ ORNL, đã tình cờ khám phá ra tiềm năng của vật liệu xúc tác này. Ban đầu, họ chỉ muốn nghiên cứu bước đầu của một phản ứng đã được đề xuất, nhưng nhanh chóng nhận ra rằng chất xúc tác đã tự thực hiện toàn bộ phản ứng. Sử dụng xúc tác gồm carbon, đồng và nitơ, cùng với việc áp dụng điện áp, một phản ứng hóa học phức tạp đã diễn ra, về cơ bản đảo ngược quá trình đốt cháy. Với sự hỗ trợ của xúc tác dựa trên công nghệ nano với nhiều vị trí phản ứng, dung dịch CO2 hòa tan trong nước đã chuyển hóa thành etanol với hiệu suất đáng kinh ngạc lên đến 63%. Thông thường, các phản ứng điện hóa tương tự thường tạo ra hỗn hợp nhiều sản phẩm khác nhau với số lượng nhỏ. Đây là một bất ngờ lớn khi có thể tạo ra etanol trực tiếp từ CO2 chỉ với một chất xúc tác duy nhất.
Cấu Trúc Nano – Chìa Khóa Vàng Cho Hiệu Quả Chuyển Đổi CO2 Thành Etanol
Điểm mới lạ của chất xúc tác nằm ở cấu trúc nano của nó, bao gồm các hạt nano đồng được gắn trong các gai carbon. Cách tiếp cận tạo kết cấu nano này giúp tránh việc sử dụng các kim loại đắt tiền hoặc quý hiếm như bạch kim, vốn là yếu tố hạn chế khả năng kinh tế của nhiều loại xúc tác. Bằng cách sắp xếp các vật liệu phổ biến với công nghệ nano, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách hạn chế các phản ứng phụ và chỉ thu được sản phẩm mong muốn là etanol. Phân tích ban đầu của các nhà khoa học cho thấy bề mặt kết cấu hình gai của chất xúc tác cung cấp nhiều vị trí phản ứng để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển đổi CO2 thành etanol. Chúng hoạt động giống như “cột thu lôi” 50 nanomet, tập trung khả năng phản ứng điện hóa ở đầu gai.
Tiềm Năng Ứng Dụng Rộng Lớn Của Công Nghệ Etanol CO2 Trong Địa Kỹ Thuật Môi Trường và Năng Lượng
Với việc dựa vào vật liệu chi phí thấp và khả năng hoạt động ở nhiệt độ phòng trong môi trường nước, các nhà nghiên cứu tin rằng phương pháp này có thể được mở rộng cho các ứng dụng công nghiệp liên quan. Chẳng hạn, quá trình này có thể được sử dụng để lưu trữ điện năng dư thừa được tạo ra từ các nguồn năng lượng biến đổi như gió và mặt trời. Một quy trình như vậy sẽ cho phép tiêu thụ điện năng thừa khi có sẵn để sản xuất và lưu trữ dưới dạng etanol. Điều này có thể giúp cân bằng lưới điện được cung cấp bởi các nguồn tái tạo không liên tục, góp phần quan trọng vào các giải pháp bền vững trong lĩnh vực địa kỹ thuật môi trường và quản lý năng lượng. Các nhà nghiên cứu đang tiếp tục tinh chỉnh phương pháp của mình để cải thiện tốc độ sản xuất tổng thể và nghiên cứu sâu hơn về tính chất và hành vi của chất xúc tác.
Tài liệu tham khảo
- Yang Song, Rui Peng, Dale Hensley, Peter Bonnesen, Liangbo Liang, Zili Wu, Harry Meyer III, Miaofang Chi, Cheng Ma, Bobby Sumpter và Adam Rondinone (2016). “High-Selectivity Electrochemical Conversion of CO2 to Ethanol using a Copper Nanoparticle/N-Doped Graphene Electrode.” ChemistrySelect.
- Oak Ridge National Laboratory (2016). Thông cáo báo chí: “New method turns carbon dioxide into ethanol”.