Chuyển đổi CO 2 thành nhiên liệu và hóa chất bằng điện hay còn gọi là chuyển đổi điện hóa CO 2 là một phương pháp đầy hứa hẹn để giảm lượng khí thải. Quá trình này cho phép chúng ta sử dụng lượng carbon thu được từ các ngành công nghiệp và khí quyển và biến nó thành tài nguyên mà chúng ta thường lấy được từ nhiên liệu hóa thạch.
Quá trình sản xuất hydrocarbon xảy ra thông qua hai chất trung gian hình thành trên bề mặt điện cực bạc để tạo ra các hydrocacbon hữu ích như ethylene, ethane, propylene và propane. Nhà cung cấp hình ảnh: Takuya Goto / Đại học Doshisha
Để thúc đẩy nghiên cứu đang diễn ra về chuyển đổi điện hóa hiệu quả, các nhà khoa học từ Đại học Doshisha đã giới thiệu một phương pháp tiết kiệm chi phí để sản xuất hydrocarbon có giá trị từ CO2. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Electrochimica Acta.
Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi Giáo sư Takuya Goto và bao gồm bà Saya Nozaki từ Trường Khoa học và Kỹ thuật sau đại học và Tiến sĩ Yuta Suzuki từ Viện Nghiên cứu Khoa học Harris, đã sản xuất ethylene và propane trên điện cực bạc cơ bản (Ag) bằng cách sử dụng một chất lỏng ion có chứa hydroxit kim loại làm chất điện phân.
Giáo sư Goto cho biết: "Hầu hết các nghiên cứu về điện phân CO2 bằng chất điện phân lỏng ở nhiệt độ phòng đều tập trung vào đặc tính xúc tác của điện cực. Trong nghiên cứu mang tính đột phá này, chúng tôi tập trung vào chất điện phân và đã thành công trong việc tạo ra khí hydrocarbon có giá trị ngay cả trên một điện cực kim loại đơn giản".
Chất lỏng ion mang lại những lợi thế độc đáo cho việc khử CO2 bằng điện hóa. Chúng hoạt động ở nhiều mức điện áp khác nhau mà không bị phân hủy, không bắt lửa và có nhiệt độ sôi cao. Sự ổn định này cho phép chất điện phân chịu được nhiệt độ cao được tạo ra trong quá trình khử CO2 tỏa nhiệt.
Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu quá trình chuyển đổi điện hóa của CO2 và nước bằng N, N-diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl) ammonium tetrafluoroborate (DEME-BF4) làm chất điện phân.
Chất điện phân DEME-BF4 cung cấp các điều kiện tối ưu để giảm tối đa lượng CO2. Các ion DEME+ tăng cường khả năng hòa tan của CO2, cho phép số lượng phân tử CO2 lớn hơn tham gia phản ứng. Hơn nữa, do tính chất ưa nước, các ion hydro cần thiết để khử CO2 thành hydrocacbon có thể được cung cấp dễ dàng bằng cách trộn chất điện phân với nước.
Các nhà nghiên cứu xác định rằng quá trình chuyển đổi điện hóa của CO2 thành hydrocacbon có thể tăng lên khi bổ sung các dung dịch nước chứa hydroxit kim loại như canxi hydroxit (Ca(OH)2), natri hydroxit (NaOH) và xêsi hydroxit (CsOH) vào chất điện phân.
Các hydroxit trong chất lỏng ion có thể phản ứng với CO2 để tạo thành bicarbonat (HCO3−) và cacbonat (CO32−), tăng cường hơn nữa khả năng sẵn có của CO2 để tham gia vào các phản ứng điện hóa.
Trong quá trình điện phân ở nhiệt độ phòng (298 K hoặc 25°C) trong môi trường CO2, các nhà nghiên cứu đã khử thành công CO2 thành ethylene (C2H4), ethane (C2H6), propylene (C3H6) và propane (C3H8).
Họ đã đạt được hiệu suất cao nhất hiện nay đối với từng sản phẩm sử dụng chất điện phân DEME-BF4 trộn với nước và chứa Ca(OH)2, với hiệu suất lên tới 11,3% đối với propan và 6,49% đối với ethylene. Hiệu suất này vượt xa hiệu suất thu được với các hydroxit kim loại khác hơn 1.000 lần.
Lý do cho hiệu suất cao này được giải thích bằng cách sử dụng phép tính phổ Raman và lý thuyết hàm mật độ (DFT). Những phân tích này cho thấy các ion bicarbonate, được hình thành khi CO2 tương tác với các ion OH- trong chất điện phân, tương tác với các ion DEME+ và BF4- của chất điện phân để tạo thành cấu trúc ổn định [DEME+-BF4−-HCO3−-Ca2+].
Sau đó các loại CO2 và HCO3- hấp phụ lên bề mặt điện cực tạo thành các loại hấp phụ CO−. Các ion CO- bị hấp phụ sau đó tương tác mạnh với các ion Ca2+ có trong chất điện phân, tạo thành hai cấu trúc trung gian riêng biệt: Một cấu trúc A, bao gồm ion Ca2+ phối hợp với hai ion CO− được hấp phụ trên ba nguyên tử Ag và Cấu trúc B còn lại, trong đó ion Ca2+ được phối hợp với hai ion CO− hấp phụ trên hai nguyên tử Ag.
Sự tương tác này với các ion Ca2+ là rất quan trọng vì nó làm tăng tính ổn định của các chất bị hấp phụ, giúp cho các phản ứng điện hóa tiếp theo có thể thực hiện được.
Trong số các cấu trúc này, các nhà nghiên cứu cho rằng cấu trúc B ổn định hơn và là con đường ưa thích để tạo ra ethylene, trong khi cấu trúc A dẫn đến sản xuất propan.
Giáo sư cho biết: “Chúng tôi đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh chất điện phân có thể dẫn đến những thay đổi ở cấp độ phân tử trong quá trình biến đổi pha của CO2 trong dung dịch khối và ở bề mặt phân cách điện cực/chất lỏng ion, đồng thời đề xuất một quy trình cho phép tổng hợp các hydrocacbon độc đáo như C3”. . Đi đến.
Những phát hiện này đã làm sáng tỏ các quá trình liên quan đến việc chuyển đổi CO2 tại bề mặt tiếp xúc giữa chất điện phân gốc chất lỏng ion và điện cực kim loại, chẳng hạn như vai trò của các ion canxi. Những hiểu biết sâu sắc như vậy có thể giúp phát triển các chất điện phân để sản xuất hiệu quả các hydrocacbon hữu ích từ CO2.
Giáo sư Goto kết luận: “Kiến thức hóa lý về lộ trình mới này từ phân hủy CO2 đến tổng hợp hydrocarbon hữu ích, như được tiết lộ trong nghiên cứu này, sẽ là công cụ thúc đẩy công nghệ sử dụng CO2 và góp phần vào tiến bộ học thuật trong khoa học vật liệu”.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
