Công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời biến đổi carbon hòa tan trong đại dương thành nguyên liệu thô cho công nghiệp
So sánh thiết bị thông thường với thiết bị CO2R quang xúc tác sử dụng khái niệm dòng phân tử CO2(aq). Nguồn: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56106-3
Đại dương đóng vai trò là bể chứa carbon động lớn nhất của Trái Đất, hấp thụ 400 triệu tấn carbon dioxide (CO₂) hàng năm thông qua quá trình trao đổi liên tục với khí quyển. Các nhà nghiên cứu tại Yale hiện đã phát triển một hệ thống hiệu quả để chiết xuất và chuyển đổi CO₂ hòa tan thành nhiên liệu sạch và nguyên liệu thô hữu ích cho công nghiệp.
Được công bố trên tạp chí Nature Communications, bước đột phá này có thể biến nước biển thành nguồn cung cấp bền vững cho các sản phẩm carbon, đồng thời giúp cân bằng nồng độ CO₂ trong đại dương.
Giáo sư Shu Hu thuộc khoa Kỹ thuật Hóa học và Môi trường, đồng thời là thành viên của Viện Khoa học Năng lượng Yale, đã dẫn dắt dự án và mô tả hệ thống này là "hệ thống thu giữ và chuyển đổi carbon dựa trên năng lượng mặt trời, hoạt động trên biển". Hay nói đơn giản hơn, nó đang tạo ra "nhiên liệu từ ánh sáng mặt trời".
Nhóm nghiên cứu sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển đổi carbon hòa tan trong nước biển thành khí tổng hợp - một loại khí tổng hợp bao gồm carbon monoxide (CO) và hydro. Hợp chất đa năng này đóng vai trò là nền tảng quan trọng để sản xuất các hóa chất và nhiên liệu công nghiệp có giá trị.
Những nỗ lực trước đây nhằm khai thác năng lượng mặt trời để chuyển đổi carbon hòa tan trong nước biển thành các sản phẩm hữu ích đã gặp phải những thách thức đáng kể. Nồng độ ion cacbonat cực thấp trong nước biển khiến việc đạt được hiệu suất năng lượng cao và hình thành sản phẩm chọn lọc trở nên khó khăn.
Hơn nữa, các lò phản ứng hiện có chỉ giới hạn ở quy mô phòng thí nghiệm. Ngoài chất xúc tác, cần có một thiết kế lò phản ứng có khả năng hoạt động liên tục, quy mô lớn để thực sự sử dụng carbon dioxide từ nước biển.
Dựa trên chuyên môn của nhóm Hu trong việc thiết kế quang xúc tác và lò phản ứng tối đa hóa việc sử dụng ánh sáng cho quá trình chuyển hóa hóa học, họ đã phát triển một thiết bị quang điện hóa mới. Thiết bị này chỉ sử dụng ánh sáng mặt trời để biến carbon hòa tan trong nước biển - chủ yếu là bicacbonat - thành khí tổng hợp. Quá trình này mô phỏng cách thức quang hợp hoạt động trong các hệ sinh thái đại dương và đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành nhiên liệu là 0,71%, tương tự như hiệu suất chuyển đổi carbon của rong biển.
Thử nghiệm dòng chảy thực địa trực quan bằng mực đen. Nguồn: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56106-3
Điều đáng chú ý hơn nữa là phát hiện của nhóm nghiên cứu rằng, mặc dù nồng độ cacbonat gần bằng không trong nước biển, tính chọn lọc của phản ứng có thể bị ảnh hưởng đáng kể bởi trường dòng chảy bên trong lò phản ứng. Trong nước biển tĩnh, hàm lượng CO2 trong sản phẩm chỉ là 3%. Tuy nhiên, trong điều kiện dòng chảy được kiểm soát bên trong lò phản ứng, tỷ lệ CO2 tăng vọt lên 21%.
"Nó hoạt động giống như một cuộc đua tiếp sức được đồng bộ hóa hoàn hảo", Xiang Shi, đồng tác giả nghiên cứu và là nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Hu, giải thích. "Anode truyền proton và CO₂ đến catốt, sau đó catốt chạy nước rút về đích - quá trình chuyển đổi. Sự phối hợp nhịp nhàng này thúc đẩy toàn bộ phản ứng hoàn thành một cách hiệu quả.
"Chúng tôi đạt được điều này bằng cách thiết kế lò phản ứng sao cho dòng chảy trước tiên sẽ quét qua anode, nơi nước bị oxy hóa và proton được giải phóng. Các proton này được dòng chảy mang đi, kích hoạt một loạt phản ứng trên đường đi, chuyển đổi bicacbonat thành CO₂ hòa tan, sau đó được vận chuyển đến các cực âm ở hạ lưu và được khử.
Thông qua phương pháp này, họ đã thiết kế quá trình truyền khối của phản ứng, điều chỉnh thông lượng đến bề mặt điện cực. Bằng cách này, họ không chỉ loại bỏ được carbon dioxide khỏi nước biển mà còn sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra nhiên liệu trực tiếp từ đại dương.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu dự định hoàn thiện công nghệ của hệ thống và cuối cùng nâng cấp nó thành một lò phản ứng quy mô lớn, đạt chuẩn công nghiệp. Thiết kế lò phản ứng mô-đun cho phép các cell dòng chảy này được lắp ráp thành các mảng nổi kích thước mét vuông. Các lò phản ứng nổi này tận dụng chuyển động thủy triều tự nhiên và dòng hải lưu để tuần hoàn nước biển thụ động qua hệ thống.
Khi nước biển chảy qua các lò phản ứng, chúng liên tục chuyển đổi CO₂ hòa tan thành khí tổng hợp dưới ánh sáng mặt trời, có thể được thu gom và vận chuyển đến các cơ sở công nghiệp để sử dụng ở hạ lưu trong quá trình tổng hợp hóa học hoặc sản xuất nhiên liệu.
Chúng tôi hy vọng sẽ xây dựng các lò phản ứng nổi quy mô lớn trên biển để có thể sử dụng trực tiếp ánh sáng mặt trời và nước biển để sản xuất nhiên liệu mặt trời", Hu nói.
Thông tin thêm: Bin Liu và cộng sự, Chuyển đổi chọn lọc carbon hòa tan milimol thành nhiên liệu bằng năng lượng mặt trời với sự tạo ra thông lượng phân tử, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56106-3
Thông tin tạp chí: Nature Communications
Cung cấp bởi Đại học Yale
