Công nghệ đột phá biến khí giàu CO2 thành vàng hóa học
Theo Viện Vật lý hóa học Đại Liên, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc
Buồng điện phân oxit rắn cho phép cải cách siêu khô mêtan. Nguồn: DICP
Các nhà khoa học đã phát triển một quy trình cải cách siêu khô sử dụng SOEC và chất xúc tác Rh-CeCO2₋ₓ để chuyển đổi hiệu quả mêtan giàu CO2 thành khí tổng hợp với tỷ lệ chuyển đổi cao và độ chọn lọc gần 100%.
Cải cách khô mêtan (DRM) là một phương pháp đã được xác lập để chuyển đổi carbon dioxide (CO₂) và methane (CH₄) thành khí tổng hợp (khí tổng hợp), đây là hỗn hợp có giá trị của hydro (H₂) và carbon monoxide (CO). Quy trình này thường được tiến hành với tỷ lệ cấp CO₂ so với CH₄ gần bằng một. Tuy nhiên, các nguồn mêtan trong tương lai như khí thiên nhiên giàu carbon dioxide dự kiến sẽ chứa hàm lượng CO₂ cao hơn nhiều. Những nồng độ cao này thường đòi hỏi các quy trình tách tốn kém để đạt được hàm lượng mêtan mong muốn.
Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Chemistry, một nhóm nghiên cứu do các Giáo sư Guoxiong Wang, Jianping Xiao và Xinhe Bao từ Viện Vật lý Hóa học Đại Liên thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đứng đầu đã giới thiệu một phương pháp sáng tạo để sản xuất trực tiếp khí tổng hợp. Quy trình này, được gọi là quá trình cải cách siêu khô mêtan, hoạt động với tỷ lệ CO₂ trên CH₄ bằng hoặc lớn hơn hai. Nó cho phép chuyển đổi trực tiếp khí thiên nhiên giàu CO₂ thông qua quá trình điện phân nhiệt xúc tác song song nhiệt độ cao bằng cách sử dụng các ô điện phân oxit rắn (SOEC).
Các ô điện phân này hoạt động ở nhiệt độ cao từ 600 đến 850 độ C và có khả năng chuyển đổi carbon dioxide và nước thành carbon monoxide và hydro. Ưu điểm của chúng bao gồm tốc độ phản ứng cao, hiệu quả năng lượng mạnh và chi phí vận hành tương đối thấp. Do đó, chúng có tiềm năng đáng kể để sử dụng carbon dioxide, sản xuất hydro và lưu trữ năng lượng tái tạo.
Nhận ra tính tương thích của nhiệt độ hoạt động giữa SOEC và DRM, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một quy trình kết hợp DRM, phản ứng dịch chuyển nước-khí ngược và điện phân nước bên trong catốt của ô điện phân.
Hệ thống điện hóa kết hợp
Trong thiết lập này, quá trình khử điện hóa tại chỗ của sản phẩm phụ H2O tạo ra các ion H2 và O2-. Các ion O2- này sau đó di chuyển qua chất điện phân và được oxy hóa điện hóa thành O2 tại anot dưới điện thế được áp dụng. Quy trình này thúc đẩy cân bằng RWGS tiến lên, tăng cường chuyển đổi CO2 và tính chọn lọc H2 vượt ra ngoài các giới hạn nhiệt động lực học thông thường.
Hơn nữa, các nhà nghiên cứu tại chỗ đã hòa tan các hạt nano Rh vào chất mang CeO2-x, tạo ra các vị trí hoạt động giao diện Ce3+-VO-Rhδ+ có mật độ cao. Khi hoạt động ở tỷ lệ CO2/CH4 là 4, hệ thống đạt được khả năng chuyển đổi CH4 là 94,5% và khả năng chuyển đổi CO2 là 95,0%, với khả năng chọn lọc gần 100% đối với CO và H2. Khả năng khử mêtan biểu kiến đạt mức tối đa lý thuyết là 4,0.
Nghiên cứu sâu hơn cho thấy các vị trí Rhδ+ chủ yếu chịu trách nhiệm cho quá trình phân ly CH4, trong khi giao diện Ce3+-VO-Rhδ+—giàu các chỗ khuyết oxy—thúc đẩy quá trình hấp phụ CO2, hoạt hóa và phản ứng RWGS. Giao diện này cũng xúc tác quá trình khử H2O điện hóa, thúc đẩy cả quá trình chuyển đổi CO2 và khả năng chọn lọc H2.
Giáo sư Wang cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi có thể mở ra một hướng đi mới cho việc sử dụng trực tiếp khí thiên nhiên giàu CO2 và khí thải công nghiệp bằng năng lượng tái tạo".
Tài liệu tham khảo: “Cải tạo khí metan siêu khô bằng hệ thống xúc tác nhiệt điện song song” của Houfu Lv, Xue Dong, Rongtan Li, Chaobin Zeng, Xiaomin Zhang, Yuefeng Song, Haolin Liu, Jiaqi Shao, Na Ta, Qiao Zhao, Qiang Fu, Jianping Xiao, Guoxiong Wang và Xinhe Bao, ngày 21 tháng 3 năm 2025, Hóa học Tự nhiên.
DOI: 10.1038/s41557-025-01768-1
