Các nhà nghiên cứu đã phát triển một khung kim loại hữu cơ có khả năng thu giữ CO 2 hiệu quả ở nhiệt độ điển hình của khí thải công nghiệp, chẳng hạn như khí thải từ các nhà máy xi măng và thép.
Một bước đột phá của các nhà khoa học UC Berkeley giới thiệu một khung kim loại hữu cơ có khả năng thu giữ carbon dioxide trực tiếp từ khí thải công nghiệp mà không cần làm mát, hoạt động hiệu quả ngay cả ở nhiệt độ 300 °C. Tín dụng: SciTechDaily.com
Không giống như các phương pháp truyền thống đòi hỏi phải làm mát khí thải, vật liệu mới này hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ lên tới 300 °C (570 °F), mang đến giải pháp đầy hứa hẹn cho các ngành công nghiệp khó khử cacbon.
Thách thức thu giữ CO 2 ở nhiệt độ cao
Các nhà máy công nghiệp, như các nhà máy sản xuất xi măng hoặc thép, thải ra một lượng lớn carbon dioxide, một loại khí nhà kính mạnh. Tuy nhiên, khí thải của chúng thường quá nóng đối với các công nghệ loại bỏ carbon hiện tại, đòi hỏi nhiều năng lượng và nước để làm mát các luồng khí nóng này. Yêu cầu làm mát này đã khiến một số ngành công nghiệp phát thải nhiều nhất khó áp dụng biện pháp thu giữ CO 2 .
Hiện nay, các nhà hóa học tại Đại học California, Berkeley, đã phát hiện ra rằng một vật liệu xốp có thể hoạt động như một miếng bọt biển để thu giữ CO 2 ở nhiệt độ gần với nhiệt độ của nhiều luồng khí thải công nghiệp. Vật liệu này — một loại khung kim loại-hữu cơ, hay MOF — sẽ được mô tả trong một bài báo sẽ được xuất bản trên ấn bản in ngày 15 tháng 11 của tạp chí Science .
Phương pháp chủ yếu để thu giữ carbon từ khí thải của nhà máy điện hoặc công nghiệp là sử dụng amin lỏng để hấp thụ CO 2 , nhưng phản ứng này chỉ hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ từ 40 đến 60 °C (100–140 °F). Các nhà máy sản xuất xi măng và luyện thép thải ra khí thải vượt quá 200 °C (400 °F) và một số khí thải công nghiệp lên tới 500 °C (930 °F). Các vật liệu mới hiện đang được thử nghiệm, bao gồm một phân lớp MOF có thêm amin, bị phân hủy ở nhiệt độ trên 150 °C (300 °F) hoặc hoạt động kém hiệu quả hơn nhiều.
Ưu điểm của MOF trong việc thu giữ Carbon
“Cần có một cơ sở hạ tầng tốn kém để thu thập các luồng khí nóng này và làm mát chúng xuống nhiệt độ thích hợp để các công nghệ thu giữ carbon hiện có có thể hoạt động”, Kurtis Carsch, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại UC Berkeley, một trong hai đồng tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết. “Khám phá của chúng tôi sẽ thay đổi cách các nhà khoa học nghĩ về việc thu giữ carbon. Chúng tôi đã phát hiện ra rằng MOF có thể thu giữ carbon dioxide ở nhiệt độ cao chưa từng có — nhiệt độ có liên quan đến nhiều quá trình phát thải CO 2. Đây là điều mà trước đây không được coi là khả thi đối với vật liệu xốp”.
Rachel Rohde, đồng tác giả đầu tiên và là sinh viên sau đại học tại UC Berkeley, cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi không còn tập trung vào nghiên cứu phổ biến về hệ thống thu giữ carbon dựa trên amin mà chứng minh một cơ chế mới để thu giữ carbon trong MOF cho phép hoạt động ở nhiệt độ cao".
Thành công thử nghiệm và tiềm năng tương lai
Giống như tất cả các MOF, vật liệu này có một mảng tinh thể xốp gồm các ion kim loại và chất liên kết hữu cơ, với diện tích bên trong tương đương khoảng sáu sân bóng đá trên một thìa canh — một diện tích khổng lồ để hấp thụ khí.
Carsch cho biết : “Nhờ cấu trúc độc đáo của mình, MOF có mật độ cao các vị trí có thể thu giữ và giải phóng CO 2 trong các điều kiện thích hợp”.
Trong điều kiện mô phỏng, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng loại MOF mới này có thể thu giữ CO 2 nóng ở nồng độ tương ứng với luồng khí thải của các nhà máy sản xuất xi măng và thép, trung bình có từ 20% đến 30% CO 2 , cũng như lượng khí thải ít tập trung hơn từ các nhà máy điện khí đốt tự nhiên, có chứa khoảng 4% CO 2 .
Vượt ra ngoài việc thu giữ carbon truyền thống
Loại bỏ CO 2 khỏi khí thải công nghiệp và nhà máy điện, sau đó lưu trữ dưới lòng đất hoặc sử dụng để tạo ra nhiên liệu hoặc các hóa chất có giá trị gia tăng khác, là một chiến lược quan trọng để giảm khí nhà kính đang làm Trái đất nóng lên và làm thay đổi khí hậu toàn cầu. Trong khi các nguồn năng lượng tái tạo đang làm giảm nhu cầu về các nhà máy điện đốt nhiên liệu hóa thạch thải ra CO 2 , thì các nhà máy công nghiệp sử dụng nhiều nhiên liệu hóa thạch lại khó có thể duy trì được tính bền vững, do đó việc thu giữ khí thải là điều cần thiết.
Rohde cho biết: “Chúng ta cần bắt đầu suy nghĩ về lượng khí thải CO 2 từ các ngành công nghiệp khó khử cacbon như sản xuất thép và xi măng vì chúng vẫn có khả năng thải ra CO 2, ngay cả khi cơ sở hạ tầng năng lượng của chúng ta chuyển dịch nhiều hơn sang năng lượng tái tạo”.
Tương lai của công nghệ thu giữ carbon
Rohde và Carsch tiến hành nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Jeffrey Long, giáo sư hóa học, kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử, và khoa học vật liệu và kỹ thuật tại UC Berkeley. Long đã tiến hành nghiên cứu về MOF hấp thụ CO 2 trong hơn một thập kỷ. Phòng thí nghiệm của ông đã tạo ra một vật liệu đầy hứa hẹn vào năm 2015, sau đó được công ty khởi nghiệp Mosaic Materials của Long phát triển thêm, công ty này đã được công ty công nghệ năng lượng Baker Hughes mua lại vào năm 2022. Vật liệu này có các amin thu giữ CO 2 ; các biến thể thế hệ tiếp theo đang được thử nghiệm như các giải pháp thay thế cho amin nước để thu giữ CO 2 trong các nhà máy quy mô thí điểm và như một cách để thu giữ CO 2 trực tiếp từ không khí xung quanh.
Nhưng Carsch cho biết các MOF này, giống như các chất hấp phụ xốp khác, không hiệu quả ở nhiệt độ cao liên quan đến nhiều khí thải.
Các chất hấp phụ gốc amin, như những chất do Long phát triển, đã là trọng tâm của nghiên cứu thu giữ carbon trong nhiều thập kỷ. Thay vào đó, MOF do Rohde, Carsch, Long và các đồng nghiệp của họ nghiên cứu có các lỗ được trang trí bằng các vị trí kẽm hydride, cũng liên kết với CO 2 . Những vị trí này hóa ra lại ổn định một cách đáng ngạc nhiên, Rohde cho biết.
Tính ổn định và hiệu quả của vật liệu MOF mới
“Các hydride kim loại phân tử có thể phản ứng và có độ ổn định thấp”, Rohde cho biết. “Vật liệu này có độ ổn định cao và thực hiện một thứ gọi là thu giữ carbon sâu, nghĩa là nó có thể thu giữ 90% hoặc hơn lượng CO 2 mà nó tiếp xúc, đây thực sự là những gì bạn cần để thu giữ nguồn điểm. Và nó có khả năng thu giữ CO 2 tương đương với MOF được gắn amin, mặc dù ở nhiệt độ cao hơn nhiều”.
Khi MOF được lấp đầy bằng CO 2 , CO 2 có thể được loại bỏ hoặc giải hấp bằng cách hạ thấp áp suất riêng phần của CO 2 , bằng cách xả bằng khí khác hoặc đặt trong chân không. Sau đó, MOF đã sẵn sàng để tái sử dụng cho một chu kỳ hấp phụ khác.
Hiệu suất nhiệt độ cao và hướng nghiên cứu
“Do entropy ủng hộ việc có các phân tử như CO 2 trong pha khí ngày càng nhiều khi nhiệt độ tăng, nên nhìn chung người ta cho rằng không thể bắt giữ các phân tử như vậy bằng chất rắn xốp ở nhiệt độ trên 200 °C”, Long cho biết. “Nghiên cứu này cho thấy rằng với chức năng phù hợp — ở đây là các vị trí kẽm hydride — việc bắt giữ CO 2 nhanh chóng, có thể đảo ngược và có công suất cao thực sự có thể thực hiện được ở nhiệt độ cao như 300 °C”.
Rohde, Long và các đồng nghiệp của họ đang khám phá các biến thể của MOF kim loại hydride này để xem chúng có thể hấp thụ những loại khí nào khác, cũng như các sửa đổi cho phép các vật liệu như vậy hấp thụ nhiều CO 2 hơn nữa .
“Chúng tôi may mắn khi có được khám phá này, mở ra những hướng đi mới trong khoa học phân tách tập trung vào thiết kế các chất hấp phụ chức năng có thể hoạt động ở nhiệt độ cao”, Carsch, người đã đảm nhiệm vị trí giảng viên tại Khoa Hóa học tại Đại học Texas ở Austin, cho biết. “Có rất nhiều cách để chúng ta có thể điều chỉnh ion kim loại và chất liên kết trong MOF, sao cho có thể thiết kế hợp lý các chất hấp phụ như vậy cho các quy trình phân tách khí nhiệt độ cao khác có liên quan đến ngành công nghiệp và tính bền vững”.
Tài liệu tham khảo: “Thu giữ carbon dioxide ở nhiệt độ cao trong vật liệu xốp có các vị trí kẽm hydride cuối” của Rachel C. Rohde, Kurtis M. Carsch, Matthew N. Dods, Henry ZH Jiang, Alexandra R. McIsaac, Ryan A. Klein, Hyunchul Kwon, Sarah L. Karstens, Yang Wang, Adrian J. Huang, Jordan W. Taylor, Yuto Yabuuchi, Nikolay V. Tkachenko, Katie R. Meihaus, Hiroyasu Furukawa, Danielle R. Yahne, Kaitlyn E. Engler, Karen C. Bustillo, Andrew M. Minor, Jeffrey A. Reimer, Martin Head-Gordon, Craig M. Brown và Jeffrey R. Long, ngày 14 tháng 11 năm 2024, Science .
Các tác giả khác của bài báo là Jeffrey Reimer, giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử tại UC Berkeley, người có phòng thí nghiệm cung cấp bằng chứng từ quang phổ NMR để hỗ trợ cơ chế độc đáo của việc bắt giữ CO 2&l
