Kiến trúc thiết bị mới cho phép sản xuất axit formic từ CO₂ một cách hợp lý bằng cách sử dụng điện tái tạo
của Justin Rickard, Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia
Cấu trúc màng trao đổi cation đục lỗ (CEM) mới trong thiết bị điện phân CO2 giúp sản xuất axit formic bền bỉ và tiết kiệm năng lượng. Nhà cung cấp: Truyền thông Tự nhiên (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
Carbon dioxide (CO2) vừa là nguồn tài nguyên thiết yếu cho sự sống trên Trái đất, vừa là khí nhà kính góp phần vào sự nóng lên toàn cầu. Ngày nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu CO2 như một nguồn tài nguyên đầy hứa hẹn có thể được sử dụng để tạo ra nhiên liệu tái tạo có hàm lượng carbon thấp và các sản phẩm hóa học có giá trị cao.
Thách thức đối với các nhà nghiên cứu là xác định các con đường chuyển đổi CO2 hiệu quả và tiết kiệm chi phí thành các chất trung gian cacbon cao cấp, chẳng hạn như cacbon monoxit, metanol hoặc axit formic.
Một nhóm nghiên cứu do K.C. Neyerlin tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL), cùng với các thành viên từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne và Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, đã phát hiện ra một giải pháp đầy hứa hẹn cho thách thức này. Nhóm đã phát triển quy trình chuyển đổi để sản xuất axit formic từ CO2 với hiệu suất năng lượng cao và độ bền cao trong khi sử dụng điện tái tạo.
Nghiên cứu có tiêu đề "Cấu trúc lắp ráp điện cực màng có thể mở rộng để chuyển đổi điện hóa hiệu quả CO2 thành axit formic" đã được xuất bản trên tạp chí Nature Communications.
Axit formic là một hóa chất trung gian tiềm năng với nhiều ứng dụng, đặc biệt là làm nguyên liệu thô cho ngành công nghiệp hóa chất hoặc sản xuất sinh học. Axit formic cũng được xác định là đầu vào để nâng cấp sinh học thành nhiên liệu hàng không bền vững.
Màng trao đổi cation đục lỗ mới cải thiện sản xuất axit formic
Khi một điện thế được đặt vào pin điện phân, quá trình điện phân CO2 sẽ dẫn đến việc khử CO2 thành các chất trung gian hóa học như axit formic hoặc các phân tử như ethylene.
Cụm điện cực màng (MEA) trong tế bào điện phân thường bao gồm một màng dẫn ion (trao đổi cation hoặc anion) được ép giữa hai điện cực bao gồm các chất điện phân và polyme dẫn ion.
Tận dụng kinh nghiệm của nhóm về pin nhiên liệu và công nghệ điện phân hydro, họ đã nghiên cứu một số cấu hình MEA trong pin điện phân để so sánh quá trình khử điện hóa CO2 với axit formic.
Dựa trên phân tích lỗi của các thiết kế khác nhau, nhóm nghiên cứu đã tìm cách khai thác những hạn chế trong các bộ vật liệu hiện tại, đặc biệt là việc thiếu khả năng loại trừ ion trong màng trao đổi anion ngày nay và đơn giản hóa thiết kế hệ thống tổng thể.
Kết quả phát minh của NREL's K.C. Neyerlin và Leiming Hu là máy điện phân MEA được cải tiến với màng trao đổi cation đục lỗ mới. Màng đục lỗ này giúp sản xuất axit formic ổn định, có độ chọn lọc cao và đơn giản hóa thiết kế bằng cách sử dụng các thành phần sẵn có.
Tác giả tương ứng Neyerlin cho biết: “Kết quả của nghiên cứu này là một sự thay đổi mô hình trong quá trình sản xuất điện hóa các axit hữu cơ như axit formic”. "Cấu trúc màng đục lỗ làm giảm độ phức tạp của các thiết kế trước đó và cũng có thể được tận dụng để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và độ bền cho các thiết bị chuyển đổi CO2 điện hóa khác."
Phân tích xác nhận lộ trình khả thi về mặt kinh tế ở quy mô lớn và sử dụng các thành phần có sẵn trên thị trường
Giống như bất kỳ đột phá nghiên cứu nào, điều quan trọng là phải hiểu được các yếu tố thúc đẩy chi phí và khả năng tồn tại về mặt kinh tế. Thông qua sự hợp tác giữa các ban giám đốc, các nhà nghiên cứu Zhe Huang và Ling Tao của NREL đã cung cấp một phân tích kinh tế-kỹ thuật xác định các con đường để đạt được mức chi phí ngang bằng với các quy trình sản xuất axit formic công nghiệp ngày nay khi chi phí điện tái tạo ở mức bằng hoặc dưới 2,3 cent mỗi kWh.
Neyerlin cho biết: “Nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết quả này nhờ các chất xúc tác và vật liệu màng polyme có sẵn trên thị trường, đồng thời tạo ra một thiết kế MEA tận dụng khả năng mở rộng của các ngăn điện phân hydro và pin nhiên liệu ngày nay”.
"Kết quả của nghiên cứu này có thể cho phép chuyển đổi nhanh hơn sang quy mô và thương mại hóa bằng cách sử dụng điện tái tạo và hydro để chuyển đổi CO2 thành nhiên liệu và hóa chất."
Các công nghệ chuyển đổi điện hóa là trụ cột chính trong sáng kiến Electron to Molecules của NREL, tập trung vào các quy trình chạy bằng điện để tạo ra hydro tái tạo, nhiên liệu, hóa chất và vật liệu bằng không trong tương lai.
Randy Cortright, người đứng đầu chiến lược của NREL về Điện tử thành Phân tử, cho biết: “Sáng kiến của chúng tôi đang nghiên cứu các con đường sử dụng điện tái tạo để chuyển đổi các phân tử như CO2 và nước thành các hợp chất có thể hoạt động như chất mang năng lượng và/hoặc tiền chất để tạo ra nhiên liệu hoặc hóa chất”.
“Nghiên cứu chuyển đổi điện hóa này cung cấp một bước đột phá có thể được sử dụng trong một loạt các quy trình chuyển đổi điện hóa và chúng tôi mong đợi những kết quả đầy hứa hẹn từ nhóm này”.
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
