Màng graphene có độ chọn lọc cao giúp tăng cường hiệu quả thu giữ CO₂
Bài viết của Ingrid Fadelli, Phys.org
Sơ đồ graphene xốp chứa pyridinic N (thể hiện dưới dạng các quả cầu màu tím) ở các cạnh lỗ rỗng. Màng tạo thành có tính chọn lọc cao đối với CO2. Nguồn: Tiến sĩ Kuang-Jung Hsu.
Giảm phát thải carbon dioxide (CO₂) là một bước quan trọng hướng tới việc giảm thiểu biến đổi khí hậu và bảo vệ môi trường trên Trái Đất. Một công nghệ được đề xuất để giảm phát thải CO₂, đặc biệt là từ các nhà máy điện và cơ sở công nghiệp, là thu giữ carbon.
Thu giữ carbon bao gồm việc tách CO₂ khỏi khí thải hỗn hợp và thu giữ nó để ngăn chặn sự phát thải vào không khí. Một phương pháp để thực hiện điều này là sử dụng các màng đặc biệt đóng vai trò như "hàng rào" chọn lọc, cho phép CO₂ đi qua và hấp thụ nó, đồng thời ngăn chặn sự đi qua của các loại khí khác.
Cho đến nay, việc phát triển các màng hiệu suất cao và chi phí thấp có thể thu giữ CO₂ vẫn còn nhiều thách thức. Điều này đã làm giảm đáng kể tiềm năng ứng dụng thực tế của các giải pháp này.
Các nhà nghiên cứu tại École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) gần đây đã giới thiệu màng graphene mới có thể cho phép thu giữ carbon hiệu suất cao. Những màng này, được trình bày trong một bài báo đăng trên tạp chí Nature Energy, tích hợp nitơ pyridinic ở rìa lỗ xốp, giúp liên kết CO₂ với lỗ xốp của nó.
"Chúng tôi đang tìm cách nâng cao hiệu suất phân tách của màng graphene", Kumar Varoon Agrawal, tác giả liên hệ của bài báo, chia sẻ với Phys.org. "Chúng tôi đã nỗ lực rất nhiều để tăng độ xốp trong graphene, cải thiện sự phân bố kích thước lỗ xốp và thêm các nhóm polymer vào lỗ xốp để cải thiện độ chọn lọc CO2/N2 cũng như đạt được độ thấm CO2 cao. Tuy nhiên, chúng tôi chỉ đạt được độ thấm cao hoặc độ chọn lọc cao chứ không đạt được cả hai."
Sau khi xem xét các tài liệu trước đây và tiến hành các nghiên cứu riêng nhằm phát triển màng thu giữ carbon, Agrawal và các đồng nghiệp nhận ra rằng màng graphene thể hiện cả tính chọn lọc và độ thẩm thấu cao vẫn còn thiếu. Để hướng tới việc phát triển các giải pháp này, họ bắt đầu tìm ra một phương pháp giúp cải thiện khả năng liên kết CO₂ với các lỗ graphene.
Phương pháp họ đề xuất bao gồm việc cho amoniac tiếp xúc với graphene một lớp oxy hóa ở nhiệt độ phòng. Quá trình này được phát hiện là kết hợp nitơ pyridinic ở rìa các lỗ của màng, giúp tăng cường khả năng liên kết của các lỗ này với CO2.
"Chúng tôi đã đưa N nguyên tử vào lỗ graphene dưới dạng N pyridinic", Agrawal nói. "Dạng N này có ái lực cao với CO2. Phương pháp này có lợi vì mạng graphene vẫn mỏng như một nguyên tử và cho phép chúng tôi đạt được cả tính chọn lọc và độ thẩm thấu cao."
Các nhà nghiên cứu nhận thấy phương pháp của họ đã tạo ra màng có hệ số phân tách CO2/N2 trung bình đầy hứa hẹn là 53 và độ thấm CO2 trung bình là 10.420 từ dòng khí chứa 20% thể tích CO2. Đối với dòng khí CO2 pha loãng với % thể tích ~1, màng đạt hệ số phân tách trên 1.000.
"Chúng tôi có thể thực hiện quá trình kết hợp N pyridinic bằng một phương pháp đơn giản, chỉ cần ngâm graphene xốp trong amoniac", Agrawal nói. "Chúng tôi nhận thấy điều này dẫn đến sự cải thiện đáng kể về độ chọn lọc CO2/N2 trong khi vẫn duy trì độ thấm đặc biệt. Ngoài ra, điều này còn dẫn đến độ chọn lọc CO2/N2 cực kỳ cao đối với nguồn CO2 pha loãng, trên 1.000, một điều cực kỳ hấp dẫn."
Màng graphene do Agrawal và các đồng nghiệp phát triển cùng với phương pháp chế tạo chúng có thể mở ra những cơ hội mới cho việc triển khai các kỹ thuật thu giữ carbon trên quy mô lớn. Các nhà nghiên cứu hiện đang nỗ lực mở rộng quy mô màng và đơn giản hóa quy trình chế tạo bằng phương pháp tổng hợp cuộn-cuộn, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc thương mại hóa trong tương lai.
Bài viết này được viết riêng cho bạn bởi tác giả Ingrid Fadelli—là kết quả của quá trình làm việc tỉ mỉ, cẩn thận của con người. Chúng tôi tin tưởng vào những độc giả như bạn để duy trì nền báo chí khoa học độc lập. Nếu bài viết này có ý nghĩa với bạn, vui lòng cân nhắc đóng góp (đặc biệt là hàng tháng). Bạn sẽ nhận được một tài khoản không quảng cáo như một lời cảm ơn.
Thông tin thêm: Kuang-Jung Hsu và cộng sự, Màng graphene với nitơ pyridinic ở rìa lỗ chân lông để thu giữ CO2 hiệu suất cao, Nature Energy (2024). DOI: 10.1038/s41560-024-01556-0
