Hydro nguyên tử có nguồn gốc từ plasma thúc đẩy quá trình methan hóa CO₂ ở nhiệt độ thấp với năng suất cao
của Viện Khoa học Tokyo
Phát hiện này có thể có tiềm năng cho các phản ứng hydro hóa xúc tác khác, chẳng hạn như tổng hợp methanol, hydrocarbon và ammnona. Nguồn: Viện Khoa học Tokyo
Hydro nguyên tử có nguồn gốc từ plasma (PDAH) cho phép phản ứng methan hóa carbon dioxide ở nhiệt độ thấp thông qua kênh phản ứng kiểu Eley−Rideal, cải thiện năng suất metan ở nhiệt độ thấp, như các nhà khoa học tại Science Tokyo đã chỉ ra.
Những phát hiện này nhấn mạnh tiềm năng của PDAH trong việc thúc đẩy các phương pháp tái chế carbon dioxide bền vững và tối ưu hóa các phản ứng hydro hóa xúc tác khác, mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn để cải thiện hiệu quả trong nhiều công nghệ năng lượng và môi trường khác nhau.
Mặc dù trữ lượng đang giảm và lượng khí thải carbon dioxide (CO2) đáng kể góp phần gây ra biến đổi khí hậu, nhiên liệu hóa thạch vẫn tiếp tục là nguồn năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu.
Vấn đề môi trường cấp bách này đã khiến các nhà nghiên cứu tìm kiếm các phương pháp để giảm CO2 trong khí quyển. Một phương pháp tiếp cận đầy hứa hẹn là metan hóa CO2, một quá trình chuyển đổi CO2 thành mêtan - một loại nhiên liệu sạch hơn, bằng cách phản ứng với hydro xanh khi có chất xúc tác kim loại.
Metan hóa CO2 hiệu quả hơn về mặt nhiệt động lực học ở nhiệt độ thấp, lý tưởng nhất là cho phép nhiệt của phản ứng duy trì phản ứng. Tuy nhiên, trên thực tế, phản ứng này phải được tiến hành ở nhiệt độ cao, đòi hỏi phải có nguồn nhiệt bên ngoài. Điều này là do hydro nguyên tử, được hình thành do sự hấp phụ và phân ly của các phân tử hydro trên bề mặt chất xúc tác, trở nên bất động và ổn định trên chất xúc tác, làm giảm khả năng phản ứng của nó và đòi hỏi nhiệt độ cao để vượt qua rào cản năng lượng cho bước xác định tốc độ.
Điều này tạo ra những thách thức như tiêu thụ năng lượng cao, lắng đọng carbon trên chất xúc tác và hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn như carbon monoxide (CO). Việc khai thác hoàn toàn khả năng phản ứng hóa học của hydro nguyên tử là rất quan trọng để cải thiện quá trình metan hóa CO2.
Để giải quyết những vấn đề này, một nhóm nghiên cứu từ Nhật Bản, do Giáo sư Tomohiro Nozaki, từ Khoa Kỹ thuật Cơ khí tại Viện Khoa học Tokyo, đứng đầu, đã nghiên cứu một hệ thống hỗ trợ plasma cải tiến cho phép metan hóa CO2 ở nhiệt độ thấp bằng PDAH. Những phát hiện của họ đã được công bố trên tạp chí JACS Au.
Xúc tác plasma, kết hợp plasma không nhiệt (NTP) với chất xúc tác được hỗ trợ bằng kim loại thông thường, gần đây đã thu hút được sự chú ý đáng kể do các tương tác hiệp đồng mà nó tạo ra giữa plasma và chất xúc tác. NTP bao gồm các electron ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với khí khối.
"Các nghiên cứu đã chứng minh được metan hóa CO2 ở nhiệt độ thấp bằng xúc tác plasma, nhưng vẫn còn thiếu hiểu biết về động lực và cơ chế phản ứng. Hơn nữa, bản chất và khả năng phản ứng của PDAH hiếm khi được khám phá", Nozaki giải thích.
Để hiểu được động lực cơ bản của quá trình metan hóa CO2 hỗ trợ plasma, nhóm nghiên cứu đã tiến hành một nghiên cứu chi tiết bằng cách sử dụng phân tích động học, chẩn đoán plasma laser, đặc tính bề mặt plasma tại chỗ và tính toán hóa học lượng tử.
Họ đã thực hiện quá trình metan hóa CO2 bằng Ni/Al2O3, như một chất xúc tác kim loại không quý, trong lò phản ứng phóng điện rào cản điện môi (DBD) dạng đệm. Trong thiết lập này, hỗn hợp khí CO2 và khí hydro được ion hóa một phần, tạo ra NTP và do đó tạo ra PDAH có phản ứng cao.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hoạt động metan hóa CO2 trong điều kiện DBD thể hiện hoạt động cao ngay cả ở nhiệt độ thấp dưới 300 °C. Đáng chú ý là ở khoảng 230 °C, tỷ lệ chuyển đổi CO2 trong điều kiện DBD cao hơn 11 lần so với tỷ lệ đạt được bằng xúc tác nhiệt, trong khi vẫn duy trì độ chọn lọc metan trên 98%.
Hơn nữa, vì DBD không làm nóng khí sản phẩm nên nó ngăn ngừa sự hình thành các sản phẩm phụ không mong muốn.
Các phép tính hóa học lượng tử tiếp tục tiết lộ rằng PDAH làm giảm rào cản năng lượng của các chất trung gian phản ứng bằng cách kích hoạt con đường phản ứng kiểu Eley−Rideal, tạo điều kiện cho quá trình metan hóa CO2 ở nhiệt độ thấp.
"Nghiên cứu của chúng tôi làm nổi bật vai trò quan trọng của PDAH trong quá trình metan hóa CO2 xúc tác. Những phát hiện của chúng tôi cũng có thể được áp dụng cho các quá trình hydro hóa xúc tác khác, bao gồm sản xuất metanol, hydrocarbon và amoniac", Nozaki nhận xét, đồng thời nêu bật các ứng dụng tiềm năng.
Ngoài ra, khái niệm Power-to-X có thể đạt được động lực với các công nghệ plasma được thúc đẩy bởi năng lượng tái tạo, điều này cũng góp phần vào một xã hội ít carbon.
Nhìn chung, nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết mới về quá trình metan hóa CO2 hỗ trợ plasma, mở đường cho việc tái chế CO2 hiệu quả năng lượng và bền vững hơn.
