Ngày nay, việc giảm phát thải khí nhà kính, đặc biệt là carbon dioxide (CO₂), đang trở thành ưu tiên hàng đầu của nhiều quốc gia và doanh nghiệp, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng. CO₂ phát sinh từ các nguồn như nhà máy công nghiệp, hệ thống sưởi trong gia đình hay lò đốt nhiên liệu hóa thạch không chỉ làm gia tăng ô nhiễm không khí mà còn góp phần thúc đẩy hiện tượng nóng lên toàn cầu. Vì vậy, các công nghệ thu giữ và tái sử dụng CO₂ đang được xem là giải pháp quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế carbon thấp.

Mới đây, các nhà khoa học đã phát triển một thiết bị mới có khả năng thu giữ CO₂ và chuyển hóa trực tiếp thành một hóa chất hữu ích chỉ trong một bước. Công nghệ này không yêu cầu CO₂ phải được tinh chế trước mà có thể hoạt động với khí thải thực tế, thậm chí ở nồng độ CO₂ tương tự như trong không khí tự nhiên. Đây được xem là một bước tiến quan trọng trong việc biến khí thải thành nguồn tài nguyên phục vụ sản xuất và năng lượng.

Công nghệ điện cực mới thu giữ và chuyển hóa CO₂

Các nhà khoa học công bố trên tạp chí ACS Energy Letters đã phát triển một loại điện cực mới có khả năng thu giữ CO₂ trực tiếp từ khí thải và chuyển hóa thành axit formic - một hóa chất có giá trị trong lĩnh vực năng lượng và sản xuất công nghiệp.

Thiết bị này được thiết kế để hoạt động trong điều kiện khí thải thực tế, chẳng hạn như khí thải từ lò sưởi gia đình, lò đốt hay các cơ sở công nghiệp. Trong quá trình thử nghiệm, hệ thống cho thấy hiệu suất vượt trội so với các công nghệ điện cực hiện có khi tiếp xúc với khí thải mô phỏng cũng như khi hoạt động ở mức CO₂ tương tự trong khí quyển.

Theo nhà khoa học Wonyong Choi, đồng tác giả của nghiên cứu, công trình này cho thấy quá trình thu giữ và chuyển hóa CO₂ không nhất thiết phải tách thành hai bước riêng biệt. Bằng cách tích hợp cả hai chức năng trong một điện cực duy nhất, nhóm nghiên cứu đã mở ra một con đường đơn giản hơn để tận dụng CO₂ trong điều kiện khí thực tế.

Việc thu giữ CO₂ từ không khí thoạt nhìn có vẻ đơn giản, bởi trong tự nhiên thực vật vẫn thực hiện quá trình này thông qua quang hợp. Tuy nhiên, thách thức lớn hơn nằm ở việc chuyển đổi CO₂ đã thu giữ thành các sản phẩm hữu ích.

Trong khí thải công nghiệp, CO₂ thường tồn tại cùng với nhiều loại khí khác như nitơ và oxy. Hầu hết các hệ thống chuyển hóa CO₂ hiện nay chỉ hoạt động hiệu quả khi khí CO₂ đã được tách riêng và làm giàu nồng độ, khiến quá trình trở nên phức tạp và tốn kém.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu gồm Donglai Pan, Myoung Hwan Oh và Wonyong Choi đã phát triển một hệ thống có thể hoạt động trực tiếp với khí thải thực tế. Mục tiêu của họ là tạo ra một thiết bị có khả năng xử lý khí thải như trong điều kiện sản xuất và biến ngay cả lượng CO₂ nhỏ thành sản phẩm có giá trị.

Cấu trúc điện cực ba lớp

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một điện cực ba lớp cho phép khí đi xuyên qua, đồng thời giữ lại và chuyển hóa CO₂. Cấu trúc này gồm: lớp vật liệu hấp phụ CO₂, giúp giữ lại khí carbon dioxide; lớp giấy carbon thấm khí, cho phép dòng khí đi qua điện cực và lớp xúc tác oxit thiếc (SnO₂), nơi diễn ra phản ứng chuyển hóa CO₂.

Sự kết hợp của ba lớp này giúp chuyển đổi trực tiếp khí CO₂ thành axit formic. Đây là một hóa chất quan trọng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm pin nhiên liệu, sản xuất hóa chất và các quy trình công nghiệp khác. Việc sản xuất axit formic trực tiếp từ khí thải có thể giúp việc tái sử dụng carbon trở nên khả thi và tiết kiệm chi phí hơn.

Hiệu suất cao trong điều kiện thực tế

Khi thử nghiệm với khí CO₂ tinh khiết, điện cực mới cho thấy hiệu suất cao hơn khoảng 40% so với các điện cực chuyển hóa carbon hiện có trong điều kiện phòng thí nghiệm tương tự. Ưu điểm của công nghệ này càng thể hiện rõ khi nhóm nghiên cứu sử dụng khí thải mô phỏng gồm: 15% CO₂, 8% oxy; 77% nitơ. Trong điều kiện này, hệ thống mới vẫn tạo ra lượng axit formic đáng kể, trong khi nhiều công nghệ khác gần như không tạo ra sản phẩm.

Ngoài ra, điện cực cũng có khả năng thu giữ CO₂ ở nồng độ tương tự trong khí quyển, cho thấy hệ thống có thể hoạt động trực tiếp trong không khí xung quanh. Theo các nhà nghiên cứu, phương pháp này mở ra khả năng tích hợp công nghệ thu giữ carbon vào các ứng dụng công nghiệp thực tế. Trong tương lai, các thiết kế tương tự cũng có thể được điều chỉnh để thu giữ và chuyển hóa các khí nhà kính khác, chẳng hạn như methane.

Công nghệ điện cực mới có khả năng thu giữ và chuyển hóa CO₂ thành axit formic trong một bước đã mở ra hướng tiếp cận đầy triển vọng trong lĩnh vực quản lý và tái sử dụng carbon. Việc hệ thống có thể hoạt động trực tiếp với khí thải thực tế, thậm chí ở nồng độ CO₂ thấp trong không khí, cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và môi trường.

Trong bối cảnh thế giới đang nỗ lực giảm phát thải khí nhà kính và thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn carbon, những công nghệ như vậy có thể đóng vai trò quan trọng trong việc biến khí thải thành nguồn tài nguyên có giá trị, góp phần thúc đẩy phát triển công nghiệp xanh và bền vững trong tương lai.

Đột phá công nghệ này mang lại nhiều cơ hội cho các doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng, sản xuất và công nghiệp xanh.

Thứ nhất, công nghệ thu giữ và chuyển hóa CO₂ trực tiếp từ khí thải có thể giúp doanh nghiệp giảm lượng phát thải carbon, từ đó đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường ngày càng khắt khe trên toàn cầu.

Thứ hai, việc chuyển hóa CO₂ thành axit formic mở ra khả năng biến khí thải thành nguồn nguyên liệu đầu vào, giúp doanh nghiệp tận dụng carbon như một tài nguyên thay vì coi đó là chất thải.

Thứ ba, các doanh nghiệp có thể đầu tư vào công nghệ thu giữ và tái sử dụng carbon để tăng khả năng cạnh tranh trong nền kinh tế xanh, đồng thời tận dụng các cơ hội thị trường mới trong lĩnh vực năng lượng sạch và hóa chất bền vững.