Hệ thống chuyển đổi CO₂ mới giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng và tăng gấp ba lần sản lượng axit formic
(Trên) Sơ đồ bộ điện phân hai điện cực kết hợp FOR và CO2RR và (Dưới) Sơ đồ quy trình tổng hợp. b) Biểu đồ XRD của chất xúc tác CuxAg10−x/CF. Nguồn: Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202516232
Một nhóm nghiên cứu trực thuộc UNIST đã công bố một hệ thống điện hóa mới có khả năng chuyển đổi carbon dioxide (CO₂), một tác nhân chính gây biến đổi khí hậu, thành các sản phẩm hóa học có giá trị cao, như axit formic. Phương pháp mới này giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng gần 75% và tăng gấp ba lần năng suất sản xuất so với các phương pháp hiện có.
Dưới sự dẫn dắt của Giáo sư Seungho Cho thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, cùng với Giáo sư Youngkook Kwon và Giáo sư Jae Sung Lee thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học Năng lượng, các nhà nghiên cứu đã phát triển thành công một quy trình điện hóa điện áp cực thấp để chuyển đổi CO₂ thành axit formic.
Kết quả nghiên cứu này được công bố trực tuyến trên Angewandte Chemie International Edition.
Hệ thống mới hoạt động như thế nào?
Hệ thống cải tiến này không chỉ giảm năng lượng cần thiết để chuyển đổi CO₂ mà còn giảm hiệu quả khí nhà kính đồng thời tạo ra một loại hóa chất có nhu cầu cao. Các quy trình thông thường dựa vào phản ứng thoát oxy (OER), tiêu thụ 70 đến 90% tổng năng lượng tiêu thụ và làm tăng điện áp hoạt động của hệ thống lên tới 2 V.
Để khắc phục thách thức này, nhóm nghiên cứu đã thay thế OER bằng phản ứng oxy hóa formaldehyde (FOR). Thiết lập mới này có thể tạo ra axit formic hiệu quả ở điện áp cực thấp 0,5 V, với hiệu suất Faradaic là 96,1% ở catốt và 82,1% ở anot. Việc giảm điện áp vận hành xuống chỉ còn một phần tư so với các hệ thống truyền thống giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng.
Hệ thống đạt được tốc độ sản xuất axit formic là 0,39 mmol/cm²·h, cao hơn gần ba lần so với các công nghệ trước đây. Do phản ứng oxy hóa formaldehyde tạo ra axit formic thay vì oxy theo cặp, nên toàn bộ quá trình trở nên tiết kiệm năng lượng hơn rất nhiều.
Chất xúc tác đột phá và ứng dụng rộng rãi hơn
Bước đột phá này được thực hiện nhờ chất xúc tác composite đồng-bạc được thiết kế đặc biệt dành riêng cho quá trình oxy hóa formaldehyde. Không giống như các chất xúc tác thông thường có xu hướng mất hoạt tính nhanh chóng, vật liệu mới này vẫn duy trì hiệu suất cao, cho phép chuyển đổi CO₂ bền vững và có thể mở rộng quy mô.
Ngoài việc khử CO₂, chất xúc tác và lộ trình phản ứng này có thể được áp dụng cho các hệ thống tự duy trì, thân thiện với môi trường để sản xuất amoniac, hydro peroxide và hydro mà không cần điện hoặc khí thải. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã tích hợp thành công quá trình oxy hóa formaldehyde với phản ứng khử nitrat, khử oxy và phản ứng thoát hydro, chứng minh việc sản xuất amoniac, hydro peroxide và hydro theo cách thân thiện với môi trường.
Giáo sư Cho giải thích: "Công nghệ này giải quyết vấn đề chính về hiệu suất chuyển đổi CO₂ và tận dụng tối đa nguồn năng lượng điện hạn chế. Tính linh hoạt của nó mở ra những khả năng mới cho sản xuất hóa chất bền vững và bảo vệ môi trường."
Nghiên cứu có sự tham gia của Hyoseok Kim, Wonsik Jang và Jin Ho Lee từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, cũng như Hojeong Lee từ Khoa Kỹ thuật Hóa học Năng lượng tại UNIST, là những tác giả đầu tiên.
Thông tin thêm: Hyoseok Kim và cộng sự, Điện tổng hợp Formate Kép Hiệu quả Năng lượng thông qua Quá trình Oxy hóa Formaldehyde Kết hợp và Giảm CO2 ở Điện áp Pin Siêu thấp, Angewandte Chemie International Edition (2025). DOI: 10.1002/anie.202516232
Thông tin tạp chí: Angewandte Chemie International Edition
Được cung cấp bởi Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Ulsan
