Phát minh chuyển đổi CO2 thành nhiên liệu rắn của MIT và Harvard

Ảnh minh họa chuyển đổi CO2 thành nhiên liệu forrmate. Scitech Daily

Phương pháp này trực tiếp chuyển đổi khí CO2 thành formate, một loại nhiên liệu rắn, có thể được lưu trữ vô thời hạn và được sử dụng để sưởi ấm các ngôi nhà hoặc cho ngành công nghiệp điện.

Các nhà khoa học trên toàn thế giới đang tập trung nghiên cứu tìm giải pháp tách carbon dioxide từ không khí hoặc từ khí thải của các nhà máy điện, sau đó chuyển hóa thành nguyên vật liệu hữu ích. Một trong những ý tưởng đầy hứa hẹn đó là biến CO2 thành nhiên liệu ổn định, thay thế nhiên liệu hóa thạch trong một số ứng dụng. Nhưng hầu hết các quy trình chuyển đổi này đều gặp vấn đề với hiệu suất carbon thấp hoặc tạo ra loại nhiên liệu rất khó sử dụng, độc hại hoặc dễ cháy.

Phát minh đột phá chuyển đổi CO2 thành nhiên liệu

Scitech Daily, dẫn bản tin của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cho biết, Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học tại MIT và Đại học Harvard đã phát triển một quy trình hiệu quả có thể chuyển đổi carbon dioxide thành formate, một chất lỏng hoặc rắn có thể được sử dụng như hydro hoặc metanol cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu và tạo ra điện.

Kali hoặc natri formate, được sản xuất ở quy mô công nghiệp và thường được sử dụng là chất làm tan băng cho đường và vỉa hè, không độc hại, không bắt lửa, dễ bảo quản và vận chuyển. Có thể lưu giữ ổn định trong những thùng thép thông thường, sử dụng được trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm sau khi sản xuất.

Nhiên liệu formate được sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho một ngôi nhà bằng một pin nhiên liệu và máy điện phân. Ảnh: Shuhan Miao, Trường Thiết kế Sau đại học Harvard

Quy trình mới do các nghiên cứu sinh tiến sĩ Zhen Zhang, Zhichu Ren và Alexander H. Quinn của MIT; nghiên cứu sinh tiến sĩ Đại học Harvard Dawei Xi; và GS Ju Li của MIT được giới thiệu trong một bài báo khoa học mở trên trang Báo cáo Tế bào Khoa học vật lý (Cell Reports Physical Science).

Toàn bộ quy trình, từ thu giữ và chuyển đổi điện hóa khí thành bột formate rắn, sau đó được sử dụng trong pin nhiên liệu để sản xuất điện đã được chứng minh bằng thực nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm nhỏ. Các nhà khoa học tin tưởng rằng, phương pháp mới có thể phát triển mở rộng, cho phép cung cấp nhiệt và điện không phát thải cho từng ngôi nhà, sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp hoặc sản xuất năng lượng quy mô lưới điện.

Tăng cường hiệu quả chuyển đổi và tính thực tiễn

GS Li giải thích, các phương pháp khác chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu thường bao gồm một quy trình hai giai đoạn: Đầu tiên, khí CO2 được thu giữ hóa học và chuyển thành dạng rắn như canxi cacbonat, sau đó vật liệu đó được nung nóng nhằm phá vỡ carbon dioxide, chuyển đổi thành nguyên liệu cho nhiên liệu như carbon monoxide. Bước thứ hai có hiệu suất rất thấp, thường chuyển đổi ít hơn 20% lượng khí carbon dioxide thành sản phẩm mong muốn.

Trong nghiên cứu này, quy trình mới đạt được mức chuyển đổi trên 90%, loại bỏ nhu cầu thực hiện bước gia nhiệt kém hiệu quả bằng phương pháp: Đầu tiên chuyển đổi carbon dioxide thành dạng trung gian, bicarbonate kim loại lỏng. Chất lỏng đó sau đó được chuyển đổi bằng phương pháp điện hóa thành kali lỏng hoặc natri formate trong máy điện phân, sử dụng điện có hàm lượng carbon thấp như điện hạt nhân, gió hoặc điện mặt trời.

Dung dịch kali hoặc natri formate lỏng đậm đặc được chế tạo sẽ được sấy khô đơn giản bằng phương thức bay hơi bằng năng lượng mặt trời, tạo ra một loại bột rắn có độ ổn định cao, có thể được lưu trữ trong các thùng thép thông thường trong nhiều năm hoặc thậm chí nhiều thập kỷ.

Cấu hình máy điện phân với cực âm bicarbonate, lớp đệm trung gian, màng trao đổi cation và cực dương nước. Ảnh: Shuhan Miao, Trường Thiết kế Sau đại học Harvard

GS Li, đều có chức danh tại các khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân và Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu cho biết: Một số bước tối ưu hóa do nhóm nghiên cứu phát triển đã tạo ra sự khác biệt trong mục đích làm thay đổi quy trình chuyển đổi hóa học kém hiệu quả thành một giải pháp công nghệ có tính thực tiễn ứng dụng.

Quy trình chuyển đổi và ứng dụng thực tiễn

Thực hiện quy trình thu hồi và chuyển đổi carbon, bước đầu tiên nhóm nghiên cứu sử dụng dung dịch kiềm để cô đặc carbon dioxide từ các dòng khí đậm đặc CO2 như từ khí thải của nhà máy điện hoặc từ những nguồn có nồng độ rất thấp, thậm chí là không khí thông thường thành dạng dung dịch bicarbonat-kim loại lỏng.

Bước tiếp theo là sử dụng máy điện phân màng trao đổi cation chuyển đổi điện hóa bicarbonate thành tinh thể formate rắn với hiệu suất carbon lớn hơn 96%. Tỷ lệ này được xác nhận trong các thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm của nhóm nhà khoa học.

Những tinh thể nhiên liệu này, được lưu trữ trong điều kiện thông thường có thể sử dụng vô thời hạn, ổn định đến mức có thể lưu trữ trong nhiều năm hoặc nhiều thập kỷ mà không bị phân hủy hoặc tiêu hao. Để so sánh, ngay cả những bể chứa hydro thực tế tốt nhất hiện có cũng có khí rò rỉ với tốc độ khoảng 1% mỗi ngày, không thỏa mãn bất kỳ mục đích sử dụng nào, yêu cầu lưu trữ nhiên liệu hydro kéo cả năm. Ông Li nói.

Metanol, một giải pháp thay thế khác được nghiên cứu rộng rãi để chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu, có thể sử dụng trong pin nhiên liệu là một chất độc hại không dễ dàng ngăn chặn hoặc điều chỉnh để sử dụng trong những tình huống mà hiện tượng rò rỉ có thể gây nguy hiểm cho sức khỏe con người. Ngoài ra, formate được sử dụng rộng rãi và được xác định là lành tính theo tiêu chuẩn an toàn quốc gia.

Cải tiến kỹ thuật tăng cường hiệu quả chuyển đổi

Một số giải pháp nâng cấp đã được áp dụng để tăng cường lớn hiệu quả của quá trình này. Đầu tiên là thiết kế kỹ lưỡng vật liệu màng và cấu hình của loại vật liệu này khắc phục được vấn đề mà những nghiên cứu và phát triển trước đây chưa giải quyết được, trong đó có sự tích tụ của những sản phẩm phụ hóa học, có thể làm thay đổi độ pH, khiến hệ thống nhanh chóng mất hiệu quả theo thời gian hoạt động.

Nghiên cứu sinh TS Zhang cho biết: “Theo các nguyên tắc truyền thống, rất khó để đạt được hiệu quả kinh tế trong quá chuyển đổi CO2 thành nguyên liệu thô lâu dài, ổn định và liên tục cung cấp nguyên vật liệu cho sản xuất điện. Vấn đề then chốt được giải quyết trong hệ thống của chúng tôi là đạt được sự cân bằng độ pH để chuyển đổi CO2 thành nguyên liệu ở trạng thái ổn định”.

Để đạt được sự cân bằng hóa học này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô hình nhiệt động lực học để thiết kế quy trình mới sao cho có được sự cân bằng về hóa học và độ pH vẫn ở trạng thái ổn định, độ axit không thay đổi theo thời gian. Nhờ đó nguyên liệu thô formate có thể tiếp tục hoạt động hiệu quả trong thời gian dài.

Trong những thử nghiệm của nhóm nhà khoa học, hệ thống sản xuất formate chạy liên tục 200 giờ mà sản lượng không giảm đáng kể. Toàn bộ quy trình được thực hiện ở nhiệt độ môi trường và áp suất tương đối thấp (gấp 5 lần áp suất khí quyển).

Một vấn đề khác thường xảy ra trong quá trình chuyển đổi là những phản ứng phụ không mong muốn, tạo ra các sản phẩm hóa học khác không hữu ích. Giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đưa thêm một lớp len sợi thủy tinh giàu bicarbonate “đệm” để ngăn chặn những phản ứng phụ.

Nhóm nghiên cứu cũng chế tạo một pin nhiên liệu, được tối ưu hóa đặc biệt, sử dụng nhiên liệu formate sản xuất điện. Các hạt formate lưu trữ được hòa tan trong nước và bơm vào pin nhiên liệu khi cần thiết. GS Li cho biết, dù nhiên liệu rắn nặng hơn nhiều so với hydro nguyên chất, nhưng nếu tính toán cả trọng lượng và thể tích của những bình khí áp suất cao, nhiệt độ siêu thấp cần thiết để lưu trữ hydro, kết quả cuối cùng là sản lượng điện tương đương khi sử dụng một thể tích lưu trữ nhất định.

Ứng dụng tiềm năng cho hộ gia đình và lưu trữ điện

Nhóm nhà khoa học MIT và Đại học Harvard cho biết, nhiên liệu formate có thể được điều chỉnh cho mọi mục đích từ quy mô gia đình đến sử dụng công nghiệp quy mô lớn hoặc hệ thống lưu trữ quy mô lớn bù lưới điện.

Những ứng dụng ban đầu trong gia đình có thể là một thiết bị điện phân có kích thước bằng một chiếc tủ lạnh để thu giữ và chuyển đổi carbon dioxide thành formate, được lưu trữ trong bể chứa dưới lòng đất hoặc trên sân thượng.

Khi cần thiết, bột rắn được trộn với nước và đưa vào pin nhiên liệu để cung cấp điện năng và nhiệt để sưởi ấm nhà. Nghiên cứu sinh TS Zhang nói: “Công nghệ này được phát triển để cung cấp điện và nhiệt cho một cộng đồng nhỏ hoặc hộ gia đình, nhưng chúng tôi tin rằng trong tương lai, công nghệ cũng có thể được sử dụng trong các nhà máy hoặc lưới điện.”

Ted Sargent, GS hóa học, kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Northwestern, không tham gia công trình nghiên cứu này bình luận: “Nền kinh tế formate là một khái niệm hấp dẫn vì muối formate kim loại rất lành tính và ổn định, đồng thời là chất mang năng lượng rất hiệu quả.” Các tác giả đã chứng minh được hiệu quả rất cao trong quá trình chuyển đổi từ chất lỏng sang chất rắn, từ nguyên liệu bicarbonate thành formate và thành công chứng minh rằng, nhiên liệu này có thể được sử dụng để sản xuất điện”.

Theo Scitech Daily

Thái Bằng