Hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời mô phỏng thực vật để cung cấp năng lượng cho quá trình thu giữ carbon
Caitlin Hayes, Đại học Cornell
Nguồn: Chem (2025). DOI: 10.1016/j.chempr.2025.102583
Các phương pháp hiện tại để thu giữ và giải phóng carbon rất tốn kém và tiêu tốn nhiều năng lượng nên thường đòi hỏi phải sử dụng nhiên liệu hóa thạch, gây phản tác dụng. Lấy cảm hứng từ thực vật, các nhà nghiên cứu tại Cornell đã tập hợp một quy trình hóa học có thể cung cấp năng lượng cho quá trình thu giữ carbon bằng nguồn năng lượng dồi dào, sạch và miễn phí: ánh sáng mặt trời.
Nghiên cứu này có thể cải thiện đáng kể các phương pháp thu giữ carbon hiện tại—một chiến lược thiết yếu trong cuộc chiến chống lại hiện tượng nóng lên toàn cầu—bằng cách giảm chi phí và lượng khí thải ròng.
Trong nghiên cứu được công bố trên Chem, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng họ có thể tách carbon dioxide khỏi các nguồn công nghiệp bằng cách mô phỏng các cơ chế mà thực vật sử dụng để lưu trữ carbon, sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra một phân tử enol ổn định đủ phản ứng để "thu giữ" carbon.
Họ cũng sử dụng ánh sáng mặt trời để thúc đẩy phản ứng bổ sung có thể giải phóng carbon dioxide để lưu trữ hoặc tái sử dụng. Đây là hệ thống tách sử dụng năng lượng ánh sáng đầu tiên cho cả thu giữ và giải phóng carbon. Sinh viên cao học Bayu Ahmad, MS '23, là tác giả đầu tiên.
"Về mặt hóa học, điều này hoàn toàn khác so với những gì bất kỳ ai khác đang làm trong quá trình thu giữ carbon", tác giả cao cấp Phillip Milner, phó giáo sư hóa học và sinh học hóa học tại Cao đẳng Nghệ thuật và Khoa học cho biết. "Toàn bộ cơ chế là ý tưởng của Bayu và khi anh ấy lần đầu trình bày với tôi, tôi nghĩ rằng nó sẽ không bao giờ hiệu quả. Nhưng nó hoàn toàn hiệu quả".
Milner cho biết carbon dioxide rất khó thu giữ vì nó trơ, điều này đã dẫn các nhà nghiên cứu và ngành công nghiệp đến với amin - hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ amoniac chứa nitơ - phản ứng chọn lọc với carbon dioxide và có thể tách nó ra khỏi hỗn hợp của nhiều hợp chất. Nhưng amin không ổn định khi có oxy và không tồn tại lâu, đòi hỏi phải sản xuất ngày càng nhiều amin tốn nhiều năng lượng.
"Ngay từ đầu, phòng thí nghiệm của chúng tôi đã cố gắng suy nghĩ về cách chúng tôi có thể sử dụng trực giác của mình với tư cách là nhà hóa học để tìm ra các con đường thay thế để thu giữ carbon dioxide", Milner cho biết. "Về cơ bản, chúng tôi có phương châm là 'bất cứ thứ gì trừ amin'".
Phản ứng thu giữ carbon sử dụng cùng cơ chế mà enzyme RuBisCo, rất quan trọng đối với quá trình quang hợp, sử dụng để cố định carbon trong thực vật. Để giải phóng carbon, các nhà nghiên cứu đã thay đổi độ pH để cho phép khử carboxyl hoặc loại bỏ nhóm carboxyl. Họ đã sử dụng một chất hấp thụ rẻ tiền, 2-methylbenzophenone, và thấy rằng tốc độ thu giữ carbon trong hệ thống mới bằng hoặc tốt hơn các công nghệ sử dụng ánh sáng khác. Hệ thống cũng không yêu cầu làm mát bổ sung giữa các bước giải phóng và thu giữ, một hạn chế lớn của các phương pháp thu giữ và giải phóng carbon khác.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống bằng cách sử dụng các mẫu khói từ Tòa nhà Nhiệt điện Kết hợp của Cornell, một nhà máy điện trong khuôn viên trường đốt khí đốt tự nhiên và thấy rằng hệ thống đã thành công trong việc cô lập carbon dioxide. Milner cho biết bước này rất quan trọng, vì nhiều phương pháp đầy hứa hẹn để thu giữ carbon trong phòng thí nghiệm đều thất bại khi so sánh với các mẫu thực tế có chất gây ô nhiễm dạng vết.
Milner và nhóm của ông hình dung ra việc dàn dựng phản ứng trên thứ trông giống như một tấm pin mặt trời—nhưng là tấm pin sẽ thu giữ carbon thay vì tạo ra điện. Với tư cách là Nghiên cứu viên đầu tiên của Semlitz Family Sustainability tại Trung tâm Cornell Atkinson về Phát triển bền vững, Ahmad đang làm việc với các đối tác tại Cao đẳng Kinh doanh Cornell SC Johnson để khám phá quá trình thương mại hóa.
"Chúng tôi thực sự muốn đạt đến điểm mà chúng tôi có thể loại bỏ carbon dioxide khỏi không khí, vì tôi nghĩ đó là cách thực tế nhất", Milner cho biết. "Bạn có thể tưởng tượng đến cảnh đi vào sa mạc, bạn lắp đặt những tấm pin này để hút carbon dioxide ra khỏi không khí và biến nó thành carbon dioxide áp suất cao nguyên chất. Sau đó, chúng tôi có thể đưa nó vào đường ống hoặc chuyển đổi nó thành thứ gì đó tại chỗ".
Phòng thí nghiệm của Milner cũng đang khám phá cách hệ thống chạy bằng năng lượng ánh sáng có thể được áp dụng cho các loại khí khác, vì quá trình tách biệt thúc đẩy 15% mức sử dụng năng lượng toàn cầu.
"Có rất nhiều cơ hội để giảm mức tiêu thụ năng lượng bằng cách sử dụng ánh sáng để thúc đẩy quá trình tách này thay vì điện", Milner cho biết.
Milner là một phần trong nỗ lực cung cấp các mẫu khói từ Tòa nhà Nhiệt điện Kết hợp của Cornell cho các nhà nghiên cứu và công ty khởi nghiệp đang nghiên cứu về quá trình thu giữ carbon tại Cornell và nhiều nơi khác.
"Việc thu thập khí thải thực sự từ ngành công nghiệp thực sự khó khăn, vì các công ty không muốn mọi người biết những gì phát ra từ nhà máy điện của họ", Milner cho biết. "Nhưng Cornell không phải là một công ty—vì vậy đây là điều độc đáo mà chúng tôi có thể cung cấp và chúng tôi hy vọng sẽ đi vào hoạt động trong năm tới".
Thông tin thêm: Bayu I.Z. Ahmad et al, A fully light-driven approach to splitting carbon dioxide from emission streams, Chem (2025). DOI: 10.1016/j.chempr.2025.102583
Thông tin tạp chí: Chem
Do Đại học Cornell cung cấp
