Các nhà khoa học tăng cường chuyển đổi CO₂ bằng một mẹo đơn giản đến bất ngờ
Một sự chuyển đổi tinh tế sang CO₂ được làm ẩm bằng axit đã mở khóa độ ổn định được cải thiện đáng kể cho các hệ thống CO₂ thành nhiên liệu, hé lộ một con đường đầy hứa hẹn để có các công nghệ chuyển đổi carbon bền vững hơn, có thể mở rộng quy mô. Nguồn: Shutterstock
Hơi axit ngăn ngừa sự tích tụ muối trong các lò phản ứng CO2, cho phép hoạt động lâu hơn, hiệu quả hơn.
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice đã tìm ra một cách đơn giản đến bất ngờ để cải thiện đáng kể độ ổn định của các thiết bị điện hóa chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu và hóa chất hữu ích: dẫn CO2 qua một máy sục khí axit.
Nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí Science, giải quyết một thách thức lớn trong các hệ thống giảm CO2—sự tích tụ muối trong các kênh dòng khí. Sự tích tụ này làm giảm hiệu quả và khiến các hệ thống hỏng sớm. Bằng cách sử dụng phương pháp mà họ gọi là CO2 ẩm axit, các nhà nghiên cứu đã kéo dài tuổi thọ hoạt động của hệ thống hơn 50 lần, đạt được hơn 4.500 giờ hoạt động ổn định trong lò phản ứng mở rộng quy mô - một cột mốc quan trọng đối với lĩnh vực này.
Biến CO₂ thành các sản phẩm hữu ích
Giảm CO2 điện hóa, hay CO2RR, là một công nghệ xanh mới nổi sử dụng điện - tốt nhất là từ các nguồn tái tạo - để chuyển đổi CO2 làm nóng khí hậu thành các sản phẩm có giá trị như carbon monoxide, ethylene hoặc rượu. Sau đó, các sản phẩm này có thể được tinh chế thành nhiên liệu hoặc sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp, cung cấp một cách để biến một chất gây ô nhiễm chính thành một nguồn tài nguyên hữu ích.
Mặc dù có triển vọng, việc sử dụng công nghệ này trong thực tế đã bị hạn chế do độ ổn định của hệ thống kém. Một vấn đề phổ biến là sự tích tụ của muối kali bicarbonate trong các kênh dòng khí. Điều này xảy ra khi các ion kali di chuyển từ anolyte qua màng trao đổi anion đến vùng phản ứng catốt, nơi chúng kết hợp với CO2 trong điều kiện pH cao.
Từ trái sang phải: Ahmad Elgazzar, nghiên cứu sinh sau đại học về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học tại Rice; Haotian Wang, phó giáo sư về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học, khoa học vật liệu và kỹ thuật nano và hóa học tại Rice; Shaoyun Hao, cộng tác viên nghiên cứu sau tiến sĩ về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học tại Rice. Nguồn: Đại học Rice
“Kết tủa muối chặn quá trình vận chuyển CO2 và làm ngập điện cực khuếch tán khí, dẫn đến hỏng hiệu suất”, Haotian Wang, tác giả liên hệ của nghiên cứu và phó giáo sư về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học, khoa học vật liệu và kỹ thuật nano và hóa học tại Rice cho biết. “Điều này thường xảy ra trong vòng vài trăm giờ, không khả thi về mặt thương mại”.
Một giải pháp đơn giản dựa trên axit
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu tại Rice đã áp dụng một biến thể thông minh của một kỹ thuật phổ biến. Thay vì sử dụng nước để làm ẩm khí CO2 đi vào lò phản ứng, họ đã dẫn khí qua dung dịch axit, chẳng hạn như axit clohydric, axit fomic hoặc axit axetic.
Hơi từ axit được đưa vào buồng phản ứng catốt với lượng vết, vừa đủ để thay đổi tính chất hóa học tại chỗ. Vì các muối hình thành với các axit này hòa tan nhiều hơn kali bicarbonate nên chúng không kết tinh và chặn các kênh.
Hiệu ứng thật ấn tượng. Trong các thử nghiệm sử dụng chất xúc tác bạc — một chuẩn mực chung để chuyển đổi CO2 thành carbon monoxide — hệ thống hoạt động ổn định trong hơn 2.000 giờ trong thiết bị quy mô phòng thí nghiệm và hơn 4.500 giờ trong máy điện phân quy mô 100 cm vuông. Ngược lại, các hệ thống sử dụng CO2 làm ẩm bằng nước tiêu chuẩn đã hỏng sau khoảng 80 giờ do muối tích tụ.
Tương thích với các chất xúc tác và vật liệu
Điều quan trọng là phương pháp làm ẩm bằng axit tỏ ra hiệu quả với nhiều loại chất xúc tác, bao gồm kẽm oxit, đồng oxit và bismuth oxit, tất cả đều được sử dụng để nhắm mục tiêu vào các sản phẩm CO2RR khác nhau. Các nhà nghiên cứu cũng chứng minh rằng phương pháp này có thể được mở rộng mà không ảnh hưởng đến hiệu suất với các thiết bị quy mô lớn, duy trì hiệu quả năng lượng và tránh tắc nghẽn muối trong thời gian dài.
Haotian Wang, phó giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử, khoa học vật liệu và kỹ thuật nano và hóa học tại Rice. Tín dụng: Jeff Fitlow/Đại học Rice
Họ quan sát thấy sự ăn mòn hoặc hư hỏng tối thiểu đối với màng trao đổi anion thường nhạy cảm với clorua bằng cách giữ nồng độ axit ở mức thấp. Phương pháp này cũng được chứng minh là tương thích với các màng và vật liệu thường dùng, củng cố tiềm năng tích hợp của nó vào các hệ thống hiện có.
Để quan sát sự hình thành muối theo thời gian thực, nhóm đã sử dụng các lò phản ứng được chế tạo riêng với các tấm dòng chảy trong suốt. Trong quá trình làm ẩm nước thông thường, các tinh thể muối bắt đầu hình thành trong vòng 48 giờ. Tuy nhiên, với CO2 làm ẩm bằng axit, không có sự tích tụ tinh thể đáng kể nào được quan sát thấy ngay cả sau hàng trăm giờ và bất kỳ cặn nhỏ nào cuối cùng cũng được hòa tan và đưa ra khỏi hệ thống.
“Sử dụng phương pháp truyền thống là CO2 được làm ẩm bằng nước có thể dẫn đến sự hình thành muối trong các kênh dòng khí catốt”, đồng tác giả đầu tiên Shaoyun Hao, cộng sự nghiên cứu sau tiến sĩ về hóa học và vật lý cho biết.
kỹ thuật sinh học phân tử tại Rice. “Chúng tôi đưa ra giả thuyết — và xác nhận — rằng hơi axit có thể hòa tan muối và chuyển KHCO3 có độ hòa tan thấp thành muối có độ hòa tan cao hơn, do đó thay đổi cân bằng độ hòa tan vừa đủ để tránh tắc nghẽn mà không ảnh hưởng đến hiệu suất của chất xúc tác.”
Một bước đột phá về độ bền và khả năng áp dụng
Công trình này mở ra cánh cửa cho các máy điện phân CO2 bền hơn, có thể mở rộng quy mô, một nhu cầu quan trọng nếu công nghệ này được triển khai ở quy mô công nghiệp như một phần của các chiến lược thu giữ và sử dụng carbon. Tính đơn giản của phương pháp này, chỉ bao gồm những thay đổi nhỏ đối với các thiết lập tạo ẩm hiện có, có nghĩa là nó có thể được áp dụng mà không cần thiết kế lại đáng kể hoặc tăng thêm chi phí.
“Đây là một phát hiện quan trọng đối với quá trình điện phân CO2,” Ahmad Elgazzar, đồng tác giả đầu tiên và là sinh viên sau đại học về kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử tại Rice cho biết. “Phương pháp của chúng tôi giải quyết một trở ngại lâu đời bằng một giải pháp dễ triển khai, chi phí thấp. Đây là một bước tiến tới việc biến các công nghệ sử dụng carbon trở nên khả thi hơn về mặt thương mại và bền vững hơn.”
Tài liệu tham khảo: “Acid-humidified CO2 gas input for stable electrochemical CO2 reduction reaction” của Shaoyun Hao, Ahmad Elgazzar, Shou-Kun Zhang, Tae-Ung Wi, Feng-Yang Chen, Yuge Feng, Peng Zhu và Haotian Wang, ngày 12 tháng 6 năm 2025, Science.
DOI: 10.1126/science.adr3834
Công trình này được hỗ trợ bởi Quỹ Robert A. Welch, Rice, Quỹ Khoa học Quốc gia và Quỹ David và Lucile Packard.
