Các nhà khoa học Hàn Quốc biến CO₂ thành vàng lỏng
Tác giả: Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju (GIST)
Các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju (GIST), Hàn Quốc, đã phát triển một phương pháp điện hóa mới để chuyển đổi CO2 thành rượu allyl thông qua một con đường xúc tác độc đáo, đạt được chuẩn mực toàn cầu mới về hiệu quả chuyển đổi CO2. Nguồn: Giáo sư Jaeyoung Lee
Công nghệ chuyển đổi CO₂ đột phá đạt được hiệu quả kỷ lục trong việc sản xuất nhiên liệu hóa học có giá trị cao.
Khi biến đổi khí hậu tiếp tục leo thang và lượng khí thải carbon đạt mức cao kỷ lục, tính cấp thiết trong việc tìm ra những cách hiệu quả để tái chế carbon dioxide (CO2) chưa bao giờ lớn hơn thế. Với phong trào toàn cầu hướng tới trung hòa carbon đang ngày càng phát triển, các phương pháp sáng tạo để biến CO2 thành nhiên liệu và hóa chất hữu ích đang nhanh chóng thu hút sự quan tâm.
Trong số đó, việc chuyển đổi CO2 thành các sản phẩm gốc cồn đặc biệt hứa hẹn do hàm lượng năng lượng cao và giá trị kinh tế của các hợp chất này. Mặc dù có tiềm năng này, quá trình này từ lâu đã bị cản trở bởi hiệu quả thấp và những thách thức trong việc mở rộng quy mô lên cấp độ công nghiệp.
Gần đây, một nhóm các nhà khoa học từ Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju (GIST) tại Hàn Quốc, do Giáo sư Tiến sĩ Jaeyoung Lee, Tiến sĩ Minjun Choi và Tiến sĩ Sooan Bae đứng đầu, đã giới thiệu một bước đột phá đáng kể trong lĩnh vực này.
Phương pháp tiếp cận mới của họ đối với quá trình chuyển đổi CO2 thành cồn đã lập kỷ lục hiệu suất toàn cầu bằng cách kết hợp hiệu quả đặc biệt với khả năng sản xuất quy mô lớn. Được công bố trên tạp chí Nature Catalysis, nghiên cứu của họ tiết lộ một kỹ thuật điện hóa biến đổi CO2 thành 'allyl alcohol', một hợp chất có giá trị cao với nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.
Thách thức trong quá trình khử CO₂ thành các hợp chất có giá trị cao
Công nghệ khử điện hóa CO2 là một công nghệ quan trọng trong kỷ nguyên trung hòa carbon có thể chuyển đổi CO2 (thủ phạm chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu) thành các chất hữu ích. Tuy nhiên, việc sản xuất có chọn lọc các hợp chất có giá trị gia tăng cao với ba nguyên tử carbon trở lên, chẳng hạn như allyl alcohol, đặt ra một số thách thức. Đầu tiên, các phương pháp hiện tại cho hiệu suất Faraday rất thấp—ít hơn 15% năng lượng điện được sử dụng thực sự được dùng để sản xuất hợp chất mong muốn, trong khi phần còn lại bị lãng phí. Thứ hai, đường phản ứng phức tạp và các chất trung gian có độ ổn định thấp, làm tăng thêm sự kém hiệu quả của quy trình.
“Allyl alcohol (C3H6O) là một chất rất hữu ích có thể được sử dụng trong nhiều phản ứng hóa học khác nhau”, Giáo sư Lee giải thích, “Nhưng việc sản xuất các hợp chất có giá trị gia tăng cao này ở trạng thái lỏng rất khó khăn do sự hình thành liên kết carbon-carbon (C–C) phức tạp và độ ổn định thấp của chất trung gian phản ứng”.
Công nghệ do các nhà nghiên cứu phát triển thật đáng chú ý. Nhóm nghiên cứu đã tạo ra chất xúc tác đồng giàu phốt pho bằng cách tích hợp đồng photphua (CuP₂) vào cụm điện cực màng cùng với chất xúc tác oxy hóa niken-sắt (NiFe). Sử dụng chất xúc tác này trong thiết lập điện hóa, họ đạt được hiệu suất Faraday là 66,9%, cao hơn khoảng 4 lần so với công nghệ tốt nhất hiện có (<15%). Hiệu suất cao này chứng minh tính chọn lọc tuyệt vời của chất xúc tác giúp giảm thiểu việc sản xuất các sản phẩm phụ không cần thiết và chỉ sản xuất có chọn lọc chất mong muốn.
Ngoài ra, công nghệ này cũng ghi nhận mật độ dòng điện một phần là 735,4 mA cm−2 và tốc độ sản xuất là 1643 μmol cm−2 h−1 trong một quy trình có thể áp dụng 1100 mA cm−2 trên một đơn vị diện tích của điện cực. Các số liệu này thể hiện hiệu suất cao nhất được báo cáo cho đến nay và cũng nhấn mạnh tiềm năng của nó đối với các ứng dụng quy mô lớn.
Tính liên quan trong công nghiệp và tác động rộng hơn
Vì allyl alcohol được sử dụng làm nguyên liệu thô thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như nhựa, chất kết dính, chất khử trùng và nước hoa, nên công nghệ này có thể là một bước ngoặt cho sản xuất hàng loạt của nó.
Hơn nữa, phương pháp này cũng có cơ chế độc đáo. Trong khi các phương pháp thông thường hoạt động thông qua con đường carbon monoxide, phương pháp này đã tiết lộ một con đường phản ứng mới trong đó liên kết carbon-carbon (C–C) được hình thành trong quá trình chuyển đổi nhóm trung gian từ formate thành formaldehyde. Cơ chế này làm tăng đáng kể giá trị thương mại của sản phẩm vì nó trực tiếp tạo ra chất lỏng dễ lưu trữ và vận chuyển hơn.
Công nghệ này đánh dấu bước đột phá trong kỷ nguyên trung hòa carbon và dự kiến sẽ mở ra những con đường mới cho công nghệ thu giữ và sử dụng carbon điện hóa tiết kiệm bằng cách chuyển đổi có chọn lọc CO2 chỉ có một nguyên tử carbon thành allyl alcohol, một hợp chất có giá trị gia tăng cao đa carbon (C3+) với ba hoặc nhiều nguyên tử carbon.
"Công nghệ chuyển đổi CO2 này có thể mở ra hướng kinh doanh mới cho các ngành công nghiệp than, hóa dầu và thép đang phải đối mặt với áp lực phát thải ngày càng tăng", Giáo sư Tiến sĩ Lee nhấn mạnh. "Chúng tôi coi đây là bước đệm quan trọng hướng tới kỷ nguyên trung hòa carbon thông qua khoa học và công nghệ có thể mở rộng quy mô".
Bằng cách chuyển trọng tâm ra ngoài các mục tiêu C1 và C2 thông thường, nghiên cứu mở rộng phạm vi giá trị CO2 hướng tới các phân tử phức tạp hơn, có giá trị cao hơn. Tiến sĩ Choi làm rõ rằng mặc dù phương pháp này có triển vọng, nhưng việc tích hợp sâu hơn vào các hệ thống lắp ráp màng điện cực dòng chảy liên tục và không có khe hở có thể cho phép sản xuất nhiên liệu lỏng và tiền chất hóa học từ CO2 có thể mở rộng quy mô và bền vững—giảm đáng kể sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và mở đường cho một tương lai xanh hơn.
Tài liệu tham khảo: “Ngưng tụ formaldehyde chọn lọc trên chất xúc tác đồng giàu phốt pho để sản xuất hóa chất C3+ dạng lỏng trong quá trình khử CO2 bằng phương pháp điện xúc tác” của Minjun Choi, Sooan Bae, Yeongin Kim, Youjin Lee, Mokyeon Cho, Sinwoo Kang và Jaeyoung Lee, ngày 22 tháng 5 năm 2025, Nature Catalysis.
DOI: 10.1038/s41929-025-01341-6
Công trình này được hỗ trợ bởi khoản tài trợ của Quỹ nghiên cứu quốc gia Hàn Quốc (NRF) do chính phủ Hàn Quốc (MSIT) tài trợ (NRF-2021K1A4A8A01079455). Nghiên cứu này cũng được hỗ trợ bởi NRF, do MSIT tài trợ (RS-2021-NR060081).
