Màng graphene có thể mở rộng quy mô có thể tăng cường thu giữ carbon
bởi Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
Tổng hợp graphene diện tích lớn trên Cu giá rẻ. Tín dụng: Jian Hao và cộng sự
Thu giữ carbon dioxide (CO2) từ khí thải công nghiệp là rất quan trọng trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu. Nhưng các phương pháp hiện tại, như hấp thụ hóa học, rất tốn kém và tốn nhiều năng lượng. Các nhà khoa học từ lâu đã để mắt đến graphene—một vật liệu siêu bền, mỏng như một nguyên tử—là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho việc tách khí, nhưng việc tạo ra màng graphene hiệu quả, diện tích lớn là một thách thức.
Hiện nay, một nhóm tại EPFL, do Giáo sư Kumar Agrawal đứng đầu, đã phát triển một kỹ thuật có thể mở rộng quy mô để tạo ra màng graphene xốp có thể lọc chọn lọc CO2 từ hỗn hợp khí. Phương pháp tiếp cận của họ giúp cắt giảm chi phí sản xuất đồng thời cải thiện chất lượng và hiệu suất của màng, mở đường cho các ứng dụng thực tế trong việc thu giữ carbon và hơn thế nữa.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Chemical Engineering.
Màng graphene rất tuyệt vời trong việc tách khí vì chúng có thể được thiết kế với các lỗ có kích thước vừa phải để cho CO2 đi qua trong khi chặn các phân tử lớn hơn như nitơ. Điều này làm cho chúng trở nên lý tưởng để thu giữ khí thải CO2 từ các nhà máy điện và quy trình công nghiệp. Nhưng có một điều đáng lưu ý: việc sản xuất các màng này ở quy mô có ý nghĩa rất khó khăn và tốn kém.
Hầu hết các phương pháp hiện có đều dựa vào lá đồng đắt tiền để tạo ra graphene chất lượng cao cần thiết cho màng và đòi hỏi các kỹ thuật xử lý tinh tế thường gây ra các vết nứt, làm giảm hiệu quả của màng. Thách thức là tìm ra cách tạo ra các màng graphene lớn, chất lượng cao theo cách tiết kiệm chi phí và có thể tái tạo.
Nhóm EPFL đã giải quyết những thách thức này một cách trực diện. Đầu tiên, họ đã phát triển một phương pháp để tạo ra graphene chất lượng cao trên lá đồng giá rẻ, cắt giảm đáng kể chi phí vật liệu. Sau đó, họ tinh chỉnh một quy trình hóa học sử dụng ozone (O₃) để khắc các lỗ nhỏ vào graphene, cho phép lọc CO2 có tính chọn lọc cao.
Quan trọng là họ đã cải thiện cách khí tương tác với graphene, đảm bảo hình thành lỗ đồng đều trên diện tích lớn—một bước quan trọng hướng tới khả năng mở rộng quy mô công nghiệp.
Để giải quyết vấn đề về độ giòn của màng, các nhà nghiên cứu cũng đã giới thiệu một kỹ thuật truyền mới. Thay vì làm nổi lớp màng graphene mỏng manh lên giá đỡ, thường dẫn đến nứt, họ đã thiết kế một quy trình truyền trực tiếp bên trong mô-đun màng giúp loại bỏ các vấn đề về xử lý và giảm tỷ lệ hỏng xuống gần bằng không.
Sử dụng phương pháp tiếp cận mới của mình, các nhà nghiên cứu đã tạo thành công màng graphene 50 cm²—lớn hơn nhiều so với khả năng trước đây—với tính toàn vẹn gần như hoàn hảo. Các màng này đã chứng minh được khả năng chọn lọc CO2 đặc biệt và độ thấm khí cao, nghĩa là chúng cho phép CO2 đi qua một cách hiệu quả trong khi chặn các khí không mong muốn.
Hơn nữa, bằng cách tối ưu hóa quá trình oxy hóa, họ có thể tăng mật độ các lỗ chọn lọc CO2, qua đó nâng cao hiệu suất hơn nữa. Các mô phỏng tính toán đã xác nhận rằng việc cải thiện lưu lượng khí qua màng đóng vai trò quan trọng trong việc đạt được những kết quả này.
Bước đột phá này có thể thay đổi trò chơi thu giữ carbon. Các công nghệ thu giữ CO2 truyền thống dựa vào các quy trình hóa học tiêu tốn nhiều năng lượng, khiến chúng trở nên phức tạp và tốn kém khi sử dụng rộng rãi. Mặt khác, màng graphene không cần đầu vào nhiệt và hoạt động bằng cách sử dụng phương pháp lọc áp suất đơn giản, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng.
Ngoài việc thu giữ carbon, phương pháp này có thể được áp dụng cho các nhu cầu tách khí khác, bao gồm tinh chế hydro và sản xuất oxy. Với quy trình sản xuất có thể mở rộng quy mô và vật liệu tiết kiệm chi phí, sáng kiến của EPFL đưa màng graphene tiến gần hơn một bước tới khả năng thương mại hóa.
