Trong ba thế kỷ qua, đặc biệt là kể từ cuộc Cách mạng Công nghiệp vào cuối thế kỷ 18 và 19, các hoạt động của con người đã làm tăng đáng kể nồng độ khí nhà kính trong bầu khí quyển Trái đất. Thủ phạm chính là tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, quy trình công nghiệp, nạn phá rừng và quản lý chất thải.
Đặc điểm của môi trường vi mô xúc tác của hệ thống xúc tác điện ImF-Mo 3 P đã phát triển được nghiên cứu trong máy điện phân dòng chảy. a , Sơ đồ môi trường vi mô xúc tác bao gồm các hạt nano Mo 3 P được bao phủ bởi lớp Im được phủ một chất ionomer trao đổi anion và lắng đọng trên chất mang carbon dẫn điện. b , Ảnh SEM của điện cực catốt được phủ trên lớp khuếch tán khí. c , Hình ảnh ánh xạ TEM-EDS của môi trường vi mô xúc tác. Ánh xạ EDS của các phần tử Mo, P, N và C lần lượt được hiển thị với các màu đỏ, xanh lá cây, vàng và xanh lam. d , Ảnh TEM của các hạt nano phân tán trong môi trường vi mô xúc tác. e, Hình ảnh EELS màu sai của một hạt nano ImF-Mo 3 P. Hình ảnh này gợi ý một lớp Im có kích thước khoảng 1 nm. Nguồn: Năng lượng thiên nhiên (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01314-8
Để đáp lại, Hoa Kỳ đặt mục tiêu cắt giảm lượng phát thải khí nhà kính từ 50 đến 52% so với mức năm 2005 vào năm 2030. Sáng kiến này phù hợp với nỗ lực toàn cầu nhằm đạt được mức phát thải khí nhà kính bằng 0 vào năm 2050. Với các ngành điện và công nghiệp đóng góp vào khoảng một nửa lượng khí thải carbon dioxide (CO 2 ) của Mỹ, việc tìm ra giải pháp trong các lĩnh vực này là bắt buộc.
Hiện nay, trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Energy , các nhà nghiên cứu từ Đại học Pennsylvania, Viện Công nghệ Illinois và Đại học Illinois ở Chicago đã phát triển một hệ thống có thể chuyển đổi khí thải CO 2 thành propan (C 3 H 8 ), một chất tẩy rửa sạch hơn. , nguồn nhiên liệu đậm đặc năng lượng hơn.
Đồng tác giả Andrew Rappe của Trường Khoa học & Nghệ thuật tại Penn cho biết: “Việc chuyển đổi điện hóa CO 2 có thể phục vụ nhu cầu năng lượng trong tương lai bằng cách lưu trữ năng lượng tái tạo và khép lại chu trình carbon do con người tạo ra”. "Nghiên cứu này mở đường cho các giải pháp mới giúp giải quyết các thách thức về lưu trữ năng lượng và giảm đáng kể lượng CO2 . "
Đồng tác giả Mohammad Asadi của Viện Công nghệ Illinois cho biết: “Việc sản xuất hóa chất tái tạo thực sự quan trọng”. “Đó là cách tốt nhất để khép lại chu trình carbon mà không làm mất đi các hóa chất mà chúng ta hiện đang sử dụng hàng ngày.”
Theo truyền thống, đồng là nguyên tố được các nhà nghiên cứu tìm kiếm các cách hiệu quả để chuyển đổi CO 2 thành các hóa chất và nhiên liệu có giá trị, vừa hạn chế tác động môi trường vừa cung cấp các giải pháp lưu trữ năng lượng mới. Tuy nhiên, nhiên liệu được tạo ra là các hợp chất carbon đơn có mật độ năng lượng thấp như metan.
Zhen Jiang, đồng tác giả đầu tiên của bài báo và là cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại The The Washington Post, giải thích: “Việc tạo ra các sản phẩm đa carbon đậm đặc năng lượng như C 3 H 8 vẫn là một thách thức do có nhiều chất trung gian hình thành trong suốt quá trình chuyển đổi hóa học”. Nhóm Rappe. “Ngoài ra, hầu hết các chiến lược nhằm tăng tính chọn lọc của vật liệu đối với các phân tử nhiều carbon đều có xu hướng tốn kém về mặt năng lượng.”
Jiang cho biết nhóm đã tìm cách vượt xa các chất xúc tác hiện có như đồng – và tính chọn lọc khiêm tốn của chúng đối với các sản phẩm nhiều cacbon hoặc động học chậm chạp của chúng – và nghiên cứu các cách để thêm chất lỏng ion (IL) vào hệ thống xúc tác. Điều này đã thôi thúc nhóm nghiên cứu xem tri-molybdenum photphua (Mo 3 P) làm vật liệu xúc tác.
"Dựa trên các mô phỏng lý thuyết của chúng tôi, chúng tôi thấy rằng lớp IL có thể tăng cường khả năng bám dính của CO 2 và các nhóm tiếp theo trong quá trình phản ứng trên bề mặt chất xúc tác Mo 3 P, do đó ổn định các chất trung gian ở các vị trí khác nhau dọc theo bề mặt để tạo ra C 3 H 8 với hiệu suất tuyệt vời là 91%," Jiang nói.
Nhóm nghiên cứu cũng lưu ý rằng phát hiện quan trọng này đã dẫn đến một mô hình mới để khám phá mối quan hệ giữa các vật liệu trong hệ thống xúc tác điện.
Jiang cho biết: “Thông thường, chất xúc tác ở trạng thái rắn và dung dịch nước làm cầu nối cho sự truyền ion trong suốt phản ứng hoạt động với ít sự thúc đẩy lẫn nhau hơn ở bề mặt phân cách”. “Nhưng bây giờ, chúng tôi có thể áp dụng phương pháp lai thông qua các kỹ thuật như phủ IL lên chất xúc tác trạng thái rắn và kiểm tra lại các hệ thống đã được thử nghiệm trước đây với hiểu biết mới của chúng tôi về môi trường vi mô của chất xúc tác.”
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu có kế hoạch phát triển nghiên cứu này theo hai cách: một là phát triển danh mục chất lỏng ion và hiệu quả của chúng trong các chất xúc tác tạo ra nhiên liệu và các hệ thống điện hóa khác; và thứ hai, nghiên cứu các chất xúc tác mới để chuyển đổi CO 2 thành các nguồn nhiên liệu đậm đặc năng lượng hơn từ khí nhiên liệu sang dầu nhẹ có nhiều nguyên tử cacbon hơn.
Rappe cho biết: "Việc mở rộng nghiên cứu này sang các hydrocacbon có trọng lượng cao hơn có thể khép lại chu trình cacbon bằng cách tạo ra khí tự nhiên, propan, xăng và thậm chí cả nhiên liệu máy bay phản lực trực tiếp từ CO 2 được tạo ra bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu trước đó. Bằng cách này, cùng một nguyên tử cacbon sẽ lưu trữ năng lượng lặp đi lặp lại và chúng tôi không thải chúng vào khí quyển."
