Chất xúc tác phá kỷ lục biến CO2 thành nhiên liệu với hiệu suất đáng kinh ngạc
Theo Viện Khoa học Tokyo
Ngày 3 tháng 12 năm 2024
Một phương pháp tổng hợp mới đã cải thiện đáng kể hiệu suất của chất xúc tác quang KGF-9, tăng hiệu suất chuyển đổi CO2 thành format của nó gần gấp mười lần. Phương pháp này tăng cường độ kết tinh và diện tích bề mặt của KGF-9, đạt được năng suất lượng tử biểu kiến kỷ lục 25%.
Phương pháp tổng hợp hỗ trợ vi sóng mới tăng cường đáng kể hiệu suất của chất xúc tác quang polyme phối hợp đã được báo cáo trước đây.
Việc chuyển đổi carbon dioxide (CO₂) thành các hóa chất có giá trị là một chiến lược thú vị để giảm lượng khí thải CO₂ và giảm thiểu biến đổi khí hậu. Thiết kế chất xúc tác quang khai thác năng lượng ánh sáng để tạo điều kiện cho quá trình chuyển đổi CO₂ là một mục tiêu chính trong lĩnh vực khoa học vật liệu chức năng.
Mặc dù có nhiều loại chất xúc tác quang khác nhau, nhưng polyme phối hợp (CP) là một lựa chọn đặc biệt hấp dẫn. Những vật liệu không đồng nhất này có thể tích hợp các chức năng của chất xúc tác hấp thụ ánh sáng và khử CO2 cùng một lúc. Hơn nữa, CP có thể được tổng hợp từ các kim loại và phân tử hữu cơ có nhiều trong đất, giúp chúng có thể được sử dụng rộng rãi ở cấp độ công nghiệp.
Vào tháng 8 năm 2022, Giáo sư Kazuhiko Maeda và các đồng nghiệp từ Viện Khoa học Tokyo, Nhật Bản, đã báo cáo về một CP không chứa kim loại quý có tên là KGF-9, đóng vai trò là chất xúc tác quang độc lập để chuyển đổi CO2 thành formate. Mặc dù KGF-9 có tính chọn lọc cao, nhưng hoạt động quang xúc tác của nó khá thấp, bằng chứng là năng suất lượng tử biểu kiến (AQY) thấp. Giờ đây, trong một nghiên cứu gần đây hơn được công bố trên Tạp chí Vật liệu chức năng nâng cao vào ngày 13 tháng 11 năm 2024, Maeda và nhóm của ông đã cải thiện đáng kể hiệu suất của KGF-9 thông qua một phương pháp tổng hợp thay thế, làm nổi bật tiềm năng chưa được khai thác trước đây của nó.
Một bước đột phá trong tổng hợp hỗ trợ vi sóng
Phương pháp đang được đề cập là phương pháp nhiệt dung môi hỗ trợ vi sóng, bao gồm việc đun nóng dung dịch trong một bình kín bằng vi sóng. “Việc gia nhiệt thể tích bằng vi sóng có thể làm nóng trực tiếp và đồng đều toàn bộ hỗn hợp phản ứng, gây ra sự quay của phân tử dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ tốc độ phản ứng”, Maeda lưu ý. Ngoài việc tăng tốc quá trình sản xuất KGF-9 từ hai ngày đầy đủ xuống chỉ còn một giờ, lộ trình tổng hợp này còn có những tác động quan trọng khác.
Quá trình tổng hợp KGF-9 mới này được hỗ trợ bằng vi sóng giúp tăng đáng kể hiệu suất quang xúc tác, mở đường cho các công nghệ chuyển đổi CO2 sáng tạo và bền vững. Nguồn: Science Tokyo
Sau khi kiểm tra kỹ lưỡng các mẫu được tạo ra, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng phương pháp hỗ trợ bằng vi sóng tạo ra các sợi KGF-9 mỏng có diện tích bề mặt riêng và độ kết tinh lớn hơn nhiều so với lộ trình tổng hợp trước đó. Các thí nghiệm quang xúc tác sau đó cho thấy những cải tiến này đã dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ AQY để chuyển đổi CO2 thành format. Để đưa ra con số, AQY của KGF-9 mới tổng hợp là 25%, tăng gần gấp mười lần so với giá trị 2,6% đã báo cáo trước đó. “AQY này đại diện cho giá trị cao kỷ lục trong số các chất xúc tác quang không đồng nhất được báo cáo về quá trình chuyển đổi CO2 thành format và thậm chí ngang bằng với AQY được báo cáo về các chất xúc tác quang đồng nhất”, Maeda nhận xét.
Hiểu các cơ chế đằng sau những cải tiến
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các nghiên cứu cơ học để hiểu nguồn gốc của những cải tiến được quan sát thấy trong quá trình chuyển đổi CO2 thành format. Thông qua phân tích cẩn thận, họ kết luận rằng việc sản xuất KGF-9 kết tinh tốt với ít khuyết tật bề mặt là một yếu tố quyết định. Điều thú vị là, bằng cách kết hợp KGF-9 với một chất dẫn cacbon, họ phát hiện ra rằng hợp chất này cũng chứng tỏ phù hợp để khử CO2 bằng phương pháp điện xúc tác, sử dụng điện trong môi trường nước thay vì ánh sáng để thúc đẩy quá trình chuyển đổi CO2 thành format.
Nhìn chung, những phát hiện của nghiên cứu này vẽ nên một tương lai tươi sáng cho KGF-9 và các chất xúc tác quang tương tự, có thể sớm trở thành chìa khóa trong nỗ lực hướng tới một xã hội bền vững của chúng ta. Nếu may mắn, những vật liệu giá cả phải chăng và đa năng này sẽ giúp chúng ta đạt được trạng thái trung hòa carbon để ngăn ngừa thiệt hại thêm cho hệ sinh thái của chúng ta.
Tài liệu tham khảo: “Polyme phối hợp dạng sợi Pb(II) có thể hoạt động như chất xúc tác quang và chất xúc tác điện để chuyển đổi CO2 thành format có chọn lọc, tốc độ cao” của Chomponoot Suppaso, Ryosuke Nakazato, Shoko Nakahata, Yoshinobu Kamakura, Fumitaka Ishiwari, Akinori Saeki, Daisuke Tanaka, Kazuhide Kamiya và Kazuhiko Maeda, ngày 13 tháng 11 năm 2024, Vật liệu chức năng tiên tiến.
DOI: 10.1002/adfm.202417223
Nghiên cứu được tài trợ bởi Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản, Hiệp hội Xúc tiến Khoa học Nhật Bản và Hiệp hội Đổi mới Hóa học Nhật Bản.
