Việc thu giữ và lưu trữ carbon dioxide do con người tạo ra là chìa khóa để giảm khí nhà kính trong khí quyển và làm chậm quá trình nóng lên toàn cầu, nhưng các công nghệ thu giữ carbon hiện nay chỉ hoạt động tốt đối với các nguồn carbon tập trung, chẳng hạn như khí thải từ nhà máy điện. Các phương pháp tương tự không thể thu giữ hiệu quả carbon dioxide từ không khí xung quanh, nơi nồng độ thấp hơn hàng trăm lần so với khí thải.
Vật liệu xốp mới để thu giữ carbon dioxide, được gọi là khung hữu cơ cộng hóa trị (COF), có các kênh lục giác được trang trí bằng polyamine có khả năng liên kết hiệu quả các phân tử CO 2 (các quả bóng màu xanh và màu cam) ở nồng độ tìm thấy trong không khí xung quanh. Tín dụng: Chaoyang Zhao cho UC Berkeley
Tuy nhiên, việc thu giữ không khí trực tiếp, hay DAC, đang được tính đến để đảo ngược sự gia tăng nồng độ CO 2 , đã đạt tới 426 phần triệu (ppm), cao hơn 50% so với mức trước Cách mạng Công nghiệp. Nếu không có nó, theo Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu, chúng ta sẽ không đạt được mục tiêu của nhân loại là hạn chế sự nóng lên ở mức 1,5 °C (2,7 °F) so với mức trung bình toàn cầu hiện có.
Một loại vật liệu hấp thụ mới do các nhà hóa học tại Đại học California, Berkeley phát triển có thể giúp đưa thế giới đến mức phát thải âm. Vật liệu xốp—khung hữu cơ cộng hóa trị (COF)—thu giữ CO 2 từ không khí xung quanh mà không bị phân hủy bởi nước hoặc các chất gây ô nhiễm khác, một trong những hạn chế của các công nghệ DAC hiện có.
"Chúng tôi lấy bột của vật liệu này, cho vào ống, rồi truyền không khí Berkeley—chỉ là không khí ngoài trời—vào vật liệu để xem nó hoạt động như thế nào, và nó thật tuyệt. Nó làm sạch hoàn toàn không khí khỏi CO 2 . Mọi thứ", Omar Yaghi, Giáo sư Hóa học James và Neeltje Tretter tại UC Berkeley và là tác giả chính của một bài báo xuất hiện trực tuyến ngày 23 tháng 10 trên tạp chí Nature cho biết.
"Tôi rất hào hứng về điều này vì không có sản phẩm nào có hiệu suất như vậy. Nó mở ra hướng đi mới trong nỗ lực giải quyết vấn đề khí hậu của chúng ta", ông nói thêm.
Theo Yaghi, vật liệu mới này có thể dễ dàng thay thế vào các hệ thống thu giữ carbon đã triển khai hoặc đang được thí điểm để loại bỏ CO 2 khỏi khí thải của nhà máy lọc dầu và thu giữ CO 2 trong khí quyển để lưu trữ dưới lòng đất.
Sinh viên tốt nghiệp UC Berkeley Zihui Zhou, tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết chỉ 200 gam vật liệu này, ít hơn nửa pound một chút, có thể hấp thụ lượng CO 2 trong một năm - 20 kg (44 pound) - tương đương với một cái cây.
"Thu khí thải là một cách để làm chậm quá trình biến đổi khí hậu vì bạn đang cố gắng không thải CO 2 vào không khí. Thu khí thải trực tiếp là một phương pháp đưa chúng ta trở lại thời điểm cách đây 100 năm hoặc hơn", Zhou cho biết.
"Hiện tại, nồng độ CO 2 trong khí quyển là hơn 420 ppm, nhưng con số này sẽ tăng lên khoảng 500 hoặc 550 trước khi chúng ta phát triển và áp dụng hoàn toàn công nghệ thu khí thải. Vì vậy, nếu chúng ta muốn giảm nồng độ và quay trở lại mức 400 hoặc 300 ppm, chúng ta phải sử dụng công nghệ thu khí thải trực tiếp."
COF so với MOF
Yaghi là người phát minh ra COF và MOF (khung kim loại hữu cơ), cả hai đều là những cấu trúc tinh thể cứng với các lỗ rỗng bên trong được sắp xếp đều đặn, tạo ra diện tích bề mặt lớn để khí bám dính hoặc hấp thụ.
Một số MOF mà ông và phòng thí nghiệm của ông đã phát triển có thể hấp thụ nước từ không khí, ngay cả trong điều kiện khô cằn, và khi được đun nóng, giải phóng nước để uống. Ông đã nghiên cứu về MOF để thu giữ carbon từ những năm 1990, rất lâu trước khi DAC xuất hiện trên màn hình radar của hầu hết mọi người, ông cho biết.
Hai năm trước, phòng thí nghiệm của ông đã tạo ra một vật liệu rất hứa hẹn, MOF-808, có khả năng hấp thụ CO 2 , nhưng các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sau hàng trăm chu kỳ hấp thụ và giải hấp, các MOF bị phân hủy. Các MOF này được trang trí bên trong bằng các amin (nhóm NH 2 ), có khả năng liên kết CO 2 hiệu quả và là thành phần phổ biến của vật liệu thu giữ carbon.
Trên thực tế, phương pháp thu giữ carbon chủ yếu liên quan đến việc sục khí thải qua các amin lỏng để thu giữ carbon dioxide. Tuy nhiên, Yaghi lưu ý rằng quá trình tái tạo và độ bay hơi tốn nhiều năng lượng của các amin lỏng cản trở quá trình công nghiệp hóa tiếp theo của chúng.
Làm việc với các đồng nghiệp, Yaghi đã khám phá ra lý do tại sao một số MOF bị phân hủy cho các ứng dụng DAC—chúng không ổn định trong điều kiện bazơ, trái ngược với điều kiện axit, và amin là bazơ. Ông và Zhou đã làm việc với các đồng nghiệp ở Đức và Chicago để thiết kế một vật liệu mạnh hơn, mà họ gọi là COF-999.
Trong khi MOF được liên kết với nhau bằng các nguyên tử kim loại, COF được liên kết với nhau bằng liên kết đôi cacbon-cacbon và cacbon-nitơ, là một trong những liên kết hóa học mạnh nhất trong tự nhiên.
Giống như MOF-808, các lỗ chân lông của COF-999 được trang trí bên trong bằng amin, cho phép hấp thụ nhiều phân tử CO 2 hơn .
"Việc giữ CO 2 từ không khí là một vấn đề rất khó khăn", Yaghi cho biết.
"Nó đòi hỏi nhiều năng lượng, bạn cần một vật liệu có khả năng chứa carbon dioxide cao, có tính chọn lọc cao, ổn định trong nước, ổn định oxy hóa, có thể tái chế. Nó cần có nhiệt độ tái sinh thấp và cần có khả năng mở rộng. Đây là một yêu cầu cao đối với một vật liệu. Và nói chung, những gì đã được triển khai cho đến nay là các giải pháp amin, vốn tốn nhiều năng lượng vì chúng dựa trên việc có amin trong nước, và nước cần rất nhiều năng lượng để làm nóng, hoặc các vật liệu rắn cuối cùng sẽ bị phân hủy theo thời gian."
Yaghi và nhóm của ông đã dành 20 năm qua để phát triển COF có cấu trúc đủ vững chắc để chống lại các chất gây ô nhiễm, từ axit và bazơ đến nước, lưu huỳnh và nitơ, có khả năng phân hủy các vật liệu rắn xốp khác.
COF-999 được lắp ráp từ xương sống của polyme olefin có gắn nhóm amin. Sau khi vật liệu xốp hình thành, nó được rửa sạch bằng nhiều amin hơn gắn vào NH 2 và tạo thành polyme amin ngắn bên trong các lỗ rỗng. Mỗi amin có thể thu giữ khoảng một phân tử CO 2 .
Khi không khí CO2 400 ppm được bơm qua COF ở nhiệt độ phòng (25 °C) và độ ẩm 50%, nó đạt một nửa công suất trong khoảng 18 phút và được lấp đầy trong khoảng hai giờ. Tuy nhiên, điều này phụ thuộc vào dạng mẫu và có thể được tăng tốc lên một phần nhỏ một phút khi được tối ưu hóa.
Đun nóng đến nhiệt độ tương đối thấp—60 °C hoặc 140 °F—giải phóng CO 2 và COF đã sẵn sàng hấp thụ CO 2 một lần nữa. Nó có thể chứa tới 2 milimol CO 2 trên một gam, nổi bật so với các chất hấp thụ rắn khác.
Yaghi lưu ý rằng hiện tại không phải tất cả các amin trong chuỗi polyamine bên trong đều thu được CO 2 , do đó có thể mở rộng lỗ chân lông để liên kết nhiều hơn gấp đôi.
"COF này có xương sống ổn định về mặt hóa học và nhiệt, nó đòi hỏi ít năng lượng hơn và chúng tôi đã chứng minh rằng nó có thể chịu được 100 chu kỳ mà không bị mất công suất. Không có vật liệu nào khác được chứng minh là có hiệu suất như vậy", Yaghi cho biết. "Về cơ bản, đây là vật liệu tốt nhất hiện có để thu không khí trực tiếp".
Yaghi lạc quan rằng trí tuệ nhân tạo có thể giúp đẩy nhanh quá trình thiết kế COF và MOF tốt hơn nữa để thu giữ carbon hoặc các mục đích khác, cụ thể là bằng cách xác định các điều kiện hóa học cần thiết để tổng hợp cấu trúc tinh thể của chúng.
Ông là giám đốc khoa học của một trung tâm nghiên cứu tại UC Berkeley, Viện Vật liệu số cho Hành tinh Bakar (BIDMaP), nơi sử dụng AI để phát triển các phiên bản MOF và COF tiết kiệm chi phí và dễ triển khai nhằm giúp hạn chế và giải quyết tác động của biến đổi khí hậu.
"Chúng tôi rất, rất hào hứng khi kết hợp AI với phương pháp hóa học mà chúng tôi đã thực hiện", ông nói.
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
