Biến ô nhiễm thành nhiên liệu sạch với sản xuất mê-tan ổn định từ carbon dioxide

Biến ô nhiễm thành nhiên liệu sạch với sản xuất mê-tan ổn định từ carbon dioxide
Bài viết của Catarina Chagas, Đại học Queen's

Quá trình chuyển đổi CO2 thành hydrocarbon sử dụng các chiến lược khác nhau. Nguồn: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01883-w

(a) Chất xúc tác thông thường (Conventional catalysts)

1. Pre-synthesized catalysts – Chất xúc tác được tổng hợp sẵn và đặt trên bề mặt vật liệu đỡ.

2. Active catalysts – Chúng xúc tác phản ứng khử CO₂ để tạo ra hydrocarbon (CₓHᵧ).

3. Deactivated catalysts – Sau một thời gian sử dụng, chất xúc tác bị mất hoạt tính (ví dụ bị oxy hóa hoặc nhiễm bẩn) và không thể tái sử dụng hiệu quả.

(b) Chiến lược xúc tác có thể thu hồi (Recoverable operation strategy)

1. Initial state – Bề mặt vật liệu đỡ được phủ bởi tiền chất xúc tác (catalyst precursor).

2. Intermediate state – Tiền chất hình thành chất xúc tác hoạt động, xúc tiến quá trình khử CO₂.

3. End-of-cycle state – Khi phản ứng hoàn tất, chất xúc tác bắt đầu suy giảm.

4. Selective catalyst dissolution – Chất xúc tác được hòa tan có chọn lọc để thu hồi, làm sạch và tái hình thành, quay lại intermediate state, khởi đầu chu kỳ mới.

Ký hiệu màu:

• Xám: Vật liệu đỡ (catalyst support)

• Xanh dương: Tiền chất xúc tác (catalyst precursor)

• Cam: Chất xúc tác hoạt động (active catalyst)

→ Ý nghĩa: Hình (b) mô tả một hệ xúc tác “tự tái tạo”, cho phép kéo dài tuổi thọ, giảm lãng phí vật liệu và duy trì hiệu suất khử CO₂ cao hơn so với chất xúc tác truyền thống.

Carbon dioxide (CO2) là một trong những chất gây ô nhiễm phổ biến nhất thế giới và là tác nhân chính gây ra biến đổi khí hậu. Để giảm thiểu tác động của nó, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới đang tìm cách thu giữ CO2 từ khí quyển và chuyển đổi nó thành các sản phẩm có giá trị, chẳng hạn như nhiên liệu sạch hoặc nhựa. Mặc dù ý tưởng này rất hứa hẹn, nhưng việc biến nó thành hiện thực - ít nhất là trên quy mô lớn - vẫn là một thách thức khoa học.

Một nghiên cứu mới do nhà nghiên cứu Cao Thắng Đinh (Kỹ thuật Hóa học) tại Smith Engineering, Chủ tịch Nghiên cứu Canada về Nhiên liệu và Hóa chất Bền vững, dẫn đầu, mở đường cho các ứng dụng thực tế của công nghệ chuyển đổi carbon và có thể định hình lại cách chúng ta thiết kế các hệ thống chuyển đổi carbon trong tương lai. Nghiên cứu này giải quyết một trong những rào cản chính trong quá trình chuyển đổi carbon: tính ổn định của chất xúc tác.

Trong kỹ thuật hóa học, chất xúc tác là chất làm tăng tốc phản ứng—lý tưởng nhất là không bị tiêu thụ trong quá trình này. Trong trường hợp chuyển đổi carbon, chất xúc tác đóng vai trò quan trọng bằng cách cho phép chuyển đổi CO₂ thành các sản phẩm hữu ích như nhiên liệu và các khối xây dựng cho vật liệu bền vững.

Vật liệu gốc đồng là chất xúc tác hiệu quả nhất để chuyển đổi CO2 thành metan, thành phần chính của khí tự nhiên được sử dụng trong nước và lò sưởi gia đình, và để phát điện. Tuy nhiên, các chất xúc tác đồng này trải qua quá trình biến đổi đáng kể, và việc duy trì hệ thống hoạt động trong thời gian dài vẫn là một thách thức lớn.

Nhóm của Tiến sĩ Dinh đã phát triển một phương pháp cải tiến để tổng hợp và tái chế chất xúc tác đồng trong phản ứng điện hóa bên trong hệ thống chuyển đổi carbon. Những kết quả thú vị này gần đây đã được công bố trên tạp chí Nature Energy.

Bằng chứng về khái niệm hoạt động có thể thu hồi trong cấu hình pin H thông thường. Nguồn: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01883-w

Trong phương pháp này, chất được thêm vào hệ thống không phải là chất xúc tác đồng, mà là một tiền chất xúc tác (một chất cần được hoạt hóa để trở thành chất xúc tác hoạt động). Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng tín hiệu điện để tạo ra chất xúc tác tại chỗ một cách linh hoạt trong quá trình chuyển đổi CO2.

Ưu điểm: khi tín hiệu điện bị tắt, chất xúc tác sẽ trở lại dạng tiền chất của nó. "Việc lặp lại chu trình này đảm bảo hiệu suất chọn lọc và ổn định trong thời gian dài. Đây là một trong những hệ thống chuyển đổi carbon ổn định nhất cho đến nay", Tiến sĩ Dinh cho biết.

Trong các hệ thống chuyển đổi carbon truyền thống, một khi phản ứng khử CO2 bắt đầu, nó cần phải tiếp tục chạy để tránh sự phân hủy chất xúc tác. Nhưng trong hệ thống mới, khi phản ứng dừng lại, chất xúc tác sẽ trở lại dạng tiền chất của nó. Khi hệ thống được bật lại, chỉ trong vài giây, nó sẽ tạo ra một chất xúc tác mới và khởi động lại phản ứng khử carbon.

Tính ổn định trong quá trình vận hành gián đoạn là rất quan trọng để tích hợp các hệ thống chuyển đổi carbon và các nguồn năng lượng tái tạo gián đoạn, như năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió. Tiến sĩ Dinh và nhóm nghiên cứu rất hào hứng với những khả năng mới mà những phát hiện này mang lại, đặc biệt là đối với việc sản xuất khí mê-tan.

"Mê-tan có mật độ năng lượng cao đáng kể, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng lưu trữ năng lượng", Guorui Gao, một nghiên cứu sinh tiến sĩ đang tham gia dự án, cho biết. "Khả năng tương thích liền mạch với cơ sở hạ tầng khí đốt hiện có, bao gồm đường ống vận chuyển và cơ sở lưu trữ, khiến nó phù hợp cho các giải pháp năng lượng quy mô lớn và dài hạn."

Nghiên cứu này có sự hợp tác từ nhiều tổ chức từ Canada, Hoa Kỳ, Brazil, Tây Ban Nha và Úc. Bước tiếp theo, phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Dinh sẽ cố gắng áp dụng quy trình tương tự này để sản xuất etylen, etanol và các sản phẩm khác. Nhóm nghiên cứu cũng sẽ nỗ lực mở rộng quy mô công nghệ để chuẩn bị cho các ứng dụng thực tế, mở đường cho một tương lai bền vững hơn.

Thông tin thêm: Guorui Gao và cộng sự, Chiến lược vận hành thu hồi để khử cacbon dioxit điện hóa chọn lọc và ổn định thành mê-tan, Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01883-w

Thông tin tạp chí: Nature Energy

Được cung cấp bởi Đại học Queen's