Đột phá “Vật liệu thần kỳ” thu giữ carbon: MOF-525 có thể thu giữ và chuyển đổi CO2 thành hóa chất hữu ích
Các nhà nghiên cứu đã đạt được tiến bộ đáng kể trong ứng dụng thực tế của một loại vật liệu mới có tên MOF-525, một thành viên của họ khung kim loại hữu cơ, cho thấy nhiều hứa hẹn trong công nghệ thu giữ và chuyển đổi carbon. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một quy trình sản xuất có thể mở rộng bằng cách sử dụng kỹ thuật cắt dung dịch cho phép áp dụng MOF-525 trên diện rộng, từ đó nâng cao hiệu quả của nó trong việc thu giữ và chuyển đổi carbon dioxide thành các hóa chất có giá trị thương mại. Tín dụng: SciTechDaily.com
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Virginia đã phát triển một phương pháp có thể mở rộng để chế tạo MOF-525, một vật liệu có thể thu giữ và chuyển đổi carbon dioxide thành các hóa chất hữu ích một cách hiệu quả. Bước đột phá này mang đến một giải pháp thiết thực cho các ứng dụng quy mô lớn trong thu hồi và chuyển đổi carbon, mang lại những lợi ích đáng kể về môi trường và năng lượng.
Các nhà khoa học đã tìm ra cách tạo ra một vật liệu kỳ diệu, một vật liệu có khả năng chiết xuất giá trị từ carbon dioxide thu được và làm được điều mà không ai khác có được: biến việc chế tạo thành ứng dụng quy mô lớn trở nên thiết thực. Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng thuộc Đại học Virginia đã tiến hành nghiên cứu và được xuất bản trên tạp chí Vật liệu & Giao diện Ứng dụng ACS.
Bước đột phá từ nhóm phòng thí nghiệm của trợ lý kỹ thuật hóa học Gaurav “Gino” Giri có ý nghĩa đối với việc làm sạch khí nhà kính, nguyên nhân chính gây ra tình trạng tiến thoái lưỡng nan về biến đổi khí hậu. Nó cũng có thể giúp giải quyết nhu cầu năng lượng của thế giới.
Sức mạnh của MOF-525
Chất này có tên MOF-525, nằm trong nhóm vật liệu gọi là khung hữu cơ kim loại.
Giri cho biết: “Nếu bạn có thể làm cho các MOF này bao phủ các khu vực rộng lớn thì các ứng dụng mới sẽ trở nên khả thi, chẳng hạn như tạo màng để thu giữ carbon và chuyển đổi xúc tác điện tất cả trong một hệ thống”.
Chuyển đổi xúc tác điện tạo ra cầu nối từ các nguồn năng lượng tái tạo đến tổng hợp hóa học trực tiếp, loại bỏ việc đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra carbon dioxide ra khỏi phương trình.
Trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học Gaurav Giri. Tín dụng: Tom Cogill
Các giải pháp thu giữ cacbon nâng cao
Điều mang lại siêu năng lực cho MOF là cấu trúc tinh thể, siêu xốp của chúng — mạng lưới 3D gồm các lỗ rỗng có kích thước nano nhỏ tạo ra diện tích bề mặt bên trong rộng lớn và hoạt động giống như một miếng bọt biển — có thể được thiết kế để bẫy tất cả các loại hợp chất hóa học.
Nhóm của Giri lý luận rằng việc bắt đầu bằng một kỹ thuật tổng hợp vốn có khả năng mở rộng - cắt dung dịch - sẽ giúp họ có cơ hội tốt hơn. Họ đã thành công trong việc cắt các MOF đơn giản hơn.
Trong quy trình của Giri, các thành phần của MOF được trộn trong dung dịch, sau đó trải đều trên bề mặt bằng lưỡi cắt. Khi dung dịch bay hơi, các liên kết hóa học tạo thành MOF dưới dạng một màng mỏng trên đế. Áp dụng MOF-525 theo cách này sẽ tạo ra một loại màng tổng hợp để bẫy và chuyển hóa carbon.
Mở rộng quy mô để có tác động lớn hơn
Hoàng tử Verma, Tiến sĩ tháng 12 năm 2023 cho biết: “Màng càng lớn thì diện tích bề mặt cho phản ứng càng lớn và bạn càng thu được nhiều sản phẩm hơn”. tốt nghiệp từ phòng thí nghiệm của Giri. “Với quy trình này, bạn có thể tăng chiều rộng lưỡi cắt lên bất kỳ kích thước nào bạn cần.”
Nhóm nghiên cứu nhắm mục tiêu chuyển đổi CO2 để chứng minh phương pháp cắt giảm giải pháp của họ vì thu hồi carbon được sử dụng rộng rãi để giảm lượng khí thải công nghiệp hoặc loại bỏ nó khỏi khí quyển - nhưng với chi phí cho các nhà khai thác với lợi tức đầu tư tối thiểu: Carbon dioxide có ít giá trị thương mại và hầu hết thường cuộn lên được lưu trữ vô thời hạn dưới lòng đất.
Tuy nhiên, với năng lượng đầu vào tối thiểu, sử dụng điện để xúc tác phản ứng, MOF-525 có thể lấy đi một nguyên tử oxy để tạo ra carbon monoxide — một hóa chất có giá trị để sản xuất nhiên liệu, dược phẩm và các sản phẩm khác.
Cam kết của UVA đối với Năng lượng Xanh
Quá trình tăng tốc các phản ứng thông qua xúc tác, đặc biệt là xúc tác điện, tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các phản ứng do nhiệt hoặc áp suất, là điều cần thiết cho một tương lai năng lượng xanh — đến mức UVA đã đầu tư 60 triệu đô la vào nghiên cứu xúc tác như một phần của Khoản đầu tư Thử thách Lớn của UVA .
Để có chuyên môn đó, Giri đã cộng tác với phó giáo sư hóa học của UVA, Charles W. Machan.
Machan cho biết: “Các tài liệu từ phòng thí nghiệm của Gino giúp chúng tôi hiểu cách kích hoạt các công nghệ mới, có thể mở rộng để thu giữ và chuyển đổi mà chúng tôi cần để giải quyết các thách thức môi trường do nồng độ carbon dioxide hiện tại trong khí quyển và tốc độ phát thải”. .
Các nhà nghiên cứu đã công bố phát hiện của họ trên tạp chí Vật liệu và Giao diện Ứng dụng của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Tham khảo: “Giải pháp cắt các khung hữu cơ–kim loại gốc zirconium (Zr) NU-901 và MOF-525 cho các ứng dụng khử xúc tác điện” của Prince K. Verma, Connor A. Koellner, Hailey Hall, Meagan R. Phister, Kevin H. Stone, Asa W. Nichols, Ankit Dhakal, Earl Ashcraft, Charles W. Machan và Gaurav Giri, ngày 13 tháng 11 năm 2023, Tài liệu và giao diện ứng dụng của ACS.
DOI: 10.1021/acsami.3c12011
Cũng đóng góp vào công việc này còn có Connor A. Koellner, Hailey Hall, Meagan R. Phister, Kevin H. Stone, Asa W. Nichols, Ankit Dhakal và Earl Ashcraft.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Viện Môi trường UVA; Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Văn phòng Khoa học, Văn phòng Khoa học Năng lượng Cơ bản, Chương trình Khoa học Xúc tác; Cơ sở Đặc tính Vật liệu Nano tại UVA; và Nguồn sáng bức xạ Synchrotron Stanford, Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC.
