Thu giữ carbon, hay việc cô lập và loại bỏ carbon dioxide khỏi khí quyển trong các quy trình công nghiệp như trộn xi măng hoặc sản xuất thép, được coi rộng rãi là một thành phần quan trọng trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu. Các công nghệ thu giữ carbon hiện có, chẳng hạn như rửa bằng amin, rất khó triển khai vì chúng đòi hỏi nhiều năng lượng để vận hành và liên quan đến các hợp chất ăn mòn.
Thiết lập thí nghiệm thu giữ carbon điện hóa có trung gian là quinone. Tín dụng: Nature Chemical Engineering (2024). DOI: 10.1038/s44286-024-00153-y
Là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn, các nhà nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson (SEAS) thuộc Đại học Harvard đã phát triển các hệ thống thu giữ carbon sử dụng các phân tử gọi là quinon, hòa tan trong nước, làm hợp chất thu giữ.
Một nghiên cứu trên tạp chí Nature Chemical Engineering cung cấp những hiểu biết quan trọng về cơ chế thu giữ carbon trong các hệ thống điện hóa gốc nước an toàn hơn, nhẹ nhàng hơn này, mở đường cho việc cải tiến chúng hơn nữa.
Dưới sự chỉ đạo của Kiana Amini, cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Harvard, hiện là phó giáo sư tại Đại học British Columbia, nghiên cứu này phác thảo chi tiết về tính chất hóa học của hệ thống thu giữ carbon trong nước, sử dụng quinone, đồng thời cho thấy sự tương tác của hai loại điện hóa học góp phần vào hiệu suất của hệ thống.
Tác giả chính của nghiên cứu là Michael J. Aziz, Giáo sư Gene và Tracy Sykes về Công nghệ Vật liệu và Năng lượng tại SEAS. Phòng thí nghiệm của Aziz trước đây đã phát minh ra công nghệ pin dòng chảy oxy hóa khử sử dụng hóa học quinone tương tự để lưu trữ năng lượng cho các ứng dụng thương mại và lưới điện.
Quinone là những phân tử hữu cơ nhỏ, dồi dào có trong cả dầu thô và đại hoàng, có thể chuyển đổi, bẫy và giải phóng CO 2 từ khí quyển nhiều lần. Thông qua các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhóm Harvard biết rằng quinon bẫy carbon theo hai cách riêng biệt.
Hai quá trình này diễn ra đồng thời, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn chưa chắc chắn về sự đóng góp của từng quá trình vào quá trình thu giữ carbon nói chung - như thể thiết bị điện hóa thử nghiệm của họ là một hộp đen.
Nghiên cứu này mở ra một điều mới mẻ.
Hình ảnh huỳnh quang được chụp từ bên trong một cell dòng điện hóa thu/giải phóng CO 2 đang hoạt động , cùng với dữ liệu đo được cho thấy dung lượng, cường độ huỳnh quang chuẩn hóa và sự thay đổi pH theo thời gian. Tín dụng: Nature Chemical Engineering (2024). DOI: 10.1038/s44286-024-00153-y
Amini cho biết: "Nếu chúng ta nghiêm túc muốn phát triển hệ thống này sao cho tốt nhất có thể, chúng ta cần biết các cơ chế góp phần vào việc thu giữ và số lượng... chúng ta chưa bao giờ đo lường được những đóng góp riêng lẻ của các cơ chế này".
Một trong những cách quinon hòa tan bẫy cacbon là một dạng bắt giữ trực tiếp, trong đó quinon nhận được điện tích và trải qua phản ứng khử khiến chúng có ái lực với CO2. Quá trình này cho phép quinon bám vào các phân tử CO2, tạo ra các phức hợp hóa học gọi là quinone-CO2 adduct.
Cách khác là một dạng bắt giữ gián tiếp trong đó các quinon được tích điện và tiêu thụ proton, làm tăng độ pH của dung dịch. Điều này cho phép CO2 phản ứng với môi trường kiềm hiện tại để tạo thành hợp chất bicarbonate hoặc carbonate.
Các nhà nghiên cứu đã đưa ra hai phương pháp thử nghiệm thời gian thực để định lượng từng cơ chế. Trong phương pháp đầu tiên, họ sử dụng điện cực tham chiếu để đo sự khác biệt về chữ ký điện áp giữa các quinone và các chất cộng hợp quinone-CO2 tạo thành.
Trong lần thứ hai, họ sử dụng kính hiển vi huỳnh quang để phân biệt giữa các hóa chất oxy hóa, khử và cộng và định lượng nồng độ của chúng ở độ phân giải thời gian rất nhanh. Điều này có thể thực hiện được vì họ phát hiện ra rằng các hợp chất liên quan đến quá trình bắt giữ carbon do quinone trung gian có các dấu hiệu huỳnh quang độc đáo.
"Những phương pháp này cho phép chúng tôi đo lường sự đóng góp của từng cơ chế trong quá trình hoạt động", Amini cho biết. "Bằng cách đó, chúng tôi có thể thiết kế các hệ thống phù hợp với các cơ chế và loài hóa học cụ thể".
Nghiên cứu này thúc đẩy sự hiểu biết về các hệ thống thu giữ carbon dựa trên quinone dạng nước và cung cấp các công cụ để điều chỉnh thiết kế cho các ứng dụng công nghiệp khác nhau. Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức, chẳng hạn như độ nhạy oxy có thể cản trở hiệu suất, những phát hiện này mở ra những hướng nghiên cứu mới.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
