Công nghệ mới biến CO₂ thành nhiên liệu trong vài phút
Theo Viện nghiên cứu vật liệu tiên tiến (AIMR), Đại học Tohoku
Ngày 17 tháng 4 năm 2025
Các nhà nghiên cứu tại Nhật Bản đã phát triển một phương pháp nhanh chóng, hiệu quả để chuyển đổi CO₂ thành carbon monoxide bằng chất xúc tác giá rẻ, rút ngắn thời gian xử lý từ 24 giờ xuống chỉ còn 15 phút. Kỹ thuật phun của họ không chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp mà còn vượt trội hơn tất cả các chất xúc tác tương tự trước đây, tạo nên bước tiến lớn trong sản xuất nhiên liệu bền vững.
Các nhà khoa học đã tạo ra một phương pháp nhanh chóng, giá cả phải chăng để chuyển đổi CO2 thành tiền chất nhiên liệu tổng hợp bằng chất xúc tác phủ phun và kỹ thuật kết tinh trực tiếp.
Sẽ thế nào nếu chúng ta có thể biến ô nhiễm có hại thành nguồn năng lượng có giá trị? Khi thế giới đang hướng tới mục tiêu trung hòa carbon, việc phát triển các công nghệ mới giúp giảm phát thải là điều cần thiết.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Tohoku, Đại học Hokkaido và AZUL Energy, Inc. đã tạo ra một phương pháp hiệu quả để chuyển đổi carbon dioxide (CO2) thành carbon monoxide (CO), một khối xây dựng quan trọng cho nhiên liệu tổng hợp. Quy trình của họ đã thiết lập một chuẩn mực mới bằng cách giảm thời gian chuyển đổi từ 24 giờ xuống chỉ còn 15 phút.
“Chuyển đổi CO2 thành CO hiện đang là chủ đề nóng để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu, nhưng các kỹ thuật thông thường có những nhược điểm lớn mà chúng tôi muốn giải quyết”, Liu Tengyi của WPI-AIMR tại Đại học Tohoku cho biết. “Các vật liệu này đắt tiền, không ổn định, có tính chọn lọc hạn chế và mất nhiều thời gian để chuẩn bị. Sẽ không khả thi khi sử dụng chúng trong môi trường công nghiệp thực tế”.
Phương pháp chế tạo điện cực khuếch tán khí được biến đổi bằng tinh thể phthalocyanine kim loại và các đặc tính cũng như hiệu suất khi sử dụng tinh thể coban phthalocyanine (CoPc). Nguồn: Hiroshi Yabu và cộng sự.
Thiết kế chất xúc tác tiết kiệm chi phí bằng cách sử dụng phthalocyanine
Để đáp ứng nhu cầu công nghiệp, các nhà nghiên cứu đã khám phá các loại phthalocyanine (Pc) khác nhau—bao gồm không chứa kim loại (H2Pc), sắt (FePc), coban (CoPc), niken (NiPc) và đồng (CuPc)—làm chất xúc tác tiềm năng. Họ đã áp dụng các hợp chất này vào điện cực khuếch tán khí bằng kỹ thuật phun đơn giản, tạo thành các lớp tinh thể trực tiếp trên bề mặt điện cực. Trong số đó, coban phthalocyanine (CoPc), một hợp chất kim loại và sắc tố giá rẻ, đã chứng minh hiệu quả cao nhất trong việc chuyển đổi CO2 thành CO.
So sánh hiệu suất chuyển đổi CO2 thành CO giữa điện cực khuếch tán khí biến đổi tinh thể CoPc và các kết quả đã báo cáo trước đây. Nguồn: Hiroshi Yabu và cộng sự.
Phương pháp giống như graffiti này chỉ cần phun chất xúc tác lên bề mặt giúp giảm thời gian xử lý thông thường xuống chỉ còn 15 phút. Các phương pháp thông thường đòi hỏi một quá trình tẻ nhạt là trộn carbon dẫn điện và chất kết dính, sấy khô và xử lý nhiệt trong hơn 24 giờ. Hơn nữa, dưới mật độ dòng điện 150 mA/cm², hệ thống mới duy trì hiệu suất ổn định trong 144 giờ.
Sử dụng Cơ sở dữ liệu DigCat (cơ sở dữ liệu điện xúc tác thử nghiệm lớn nhất cho đến nay), các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng chất xúc tác của họ vượt trội hơn tất cả các chất xúc tác dựa trên Pc đã báo cáo trước đây.
Đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp về chuyển đổi co2 thành co
“Đây không chỉ là chất xúc tác dựa trên Pc tốt nhất để sản xuất CO cho đến nay mà còn vượt qua ngưỡng tiêu chuẩn công nghiệp về tốc độ phản ứng và độ ổn định của nó”, Liu nhận xét. “Đây là chất xúc tác đầu tiên đạt tiêu chuẩn”.
Để tìm hiểu lý do đằng sau hiệu suất cao này, nhóm đã tiến hành phân tích cấu trúc bằng bức xạ synchrotron tại cơ sở NanoTerasu, cùng với các tính toán lý thuyết. Kết quả cho thấy quá trình kết tinh dẫn đến các phân tử được đóng gói dày đặc, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình truyền electron hiệu quả lên bề mặt. Những phát hiện này nhấn mạnh rằng quá trình kết tinh trực tiếp là một chiến lược hiệu quả để chế tạo điện cực xúc tác dựa trên phức hợp kim loại cho quá trình điện phân khử CO₂.
Đánh giá độ bền của điện cực khuếch tán khí được biến đổi bằng tinh thể CoPc. Nguồn: Hiroshi Yabu và cộng sự.
Phương pháp chế tạo điện cực khuếch tán khí được phát triển trong nghiên cứu này, cùng với công nghệ điện phân CO2, cung cấp một con đường đầy hứa hẹn để tổng hợp carbon monoxide (CO), một chất trung gian quan trọng cho nhiên liệu tổng hợp, từ CO2 với hiệu suất cao bằng cách sử dụng chất xúc tác gốc sắc tố giá rẻ.
Phương pháp này giải quyết một trong những nút thắt chính trong sản xuất nhiên liệu tổng hợp bằng cách cải thiện hiệu quả năng lượng và giảm chi phí liên quan đến việc sử dụng CO2. Do đó, nó có tiềm năng lớn như một công nghệ thế hệ tiếp theo để thu giữ và sử dụng carbon dioxide (CCU).
Tài liệu tham khảo: “Surface Charge Transfer Enhanced Cobalt-Phthalocyanine Crystals for Efficient CO2-to-CO Electroreduction with Large Current Density Exceeding 1000 mA cm−2” của Tengyi Liu, Di Zhang, Yutaro Hirai, Koju Ito, Kosuke Ishibashi, Naoto Todoroki, Yasutaka Matsuo, Junya Yoshida, Shimpei Ono, Hao Li và Hiroshi Yabu, ngày 4 tháng 4 năm 2025, Advanced Science.
DOI: 10.1002/advs.202501459
