Một số nơi trên thế giới đã thành công trong việc sản xuất điện tái tạo rẻ tiền đến mức đôi khi chúng ta có quá nhiều. Một cách sử dụng khả thi cho nguồn năng lượng chi phí thấp đó: Chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu và các sản phẩm khác bằng cách sử dụng một thiết bị gọi là cụm điện cực màng.
Kiến trúc máy điện phân và miền mô hình. Nguồn: Kỹ thuật hóa học tự nhiên (2024). DOI: 10.1038/s44286-024-00062-0
Một nhóm các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) và Đại học California Berkeley đã phát triển một phương pháp mới để tìm hiểu công nghệ đầy hứa hẹn này thông qua mô hình vật lý. Bài báo được công bố trên tạp chí Nature Chemical Engineering có thể giúp các nhà khoa học tìm hiểu cách cải thiện hiệu quả lắp ráp màng điện cực.
Carbon dioxide có thể được chuyển hóa thành các nguyên liệu có giá trị như carbon monoxide và ethylene, mà các nhà sản xuất sử dụng để sản xuất các sản phẩm bao gồm hóa chất và bao bì. Một cách để làm điều này là sử dụng các cụm điện cực màng, là những thiết bị bao gồm hai điện cực được ngăn cách bởi một màng.
Cũng được sử dụng trong pin nhiên liệu biến các đầu vào như hydro thành điện, các tổ hợp điện cực màng hứa hẹn có thể sử dụng năng lượng tái tạo dư thừa để thực hiện các chuỗi phản ứng xúc tác carbon dioxide thành các hóa chất khác. Nhưng những thiết bị này có vấn đề về hiệu quả và hoạt động của chúng vẫn chưa được hiểu đầy đủ.
Adam Weber, nhà khoa học cao cấp tại Phòng thí nghiệm Berkeley và là tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Các tổ hợp điện cực màng là những hệ thống phức tạp với nhiều lớp. Mỗi lớp chứa các loại hóa chất, chất phụ gia và hạt khác nhau”.
“Thông thường, chúng tôi không thực sự biết tại sao các thí nghiệm với tổ hợp điện cực màng lại tạo ra một số sản phẩm nhất định hoặc tại sao chúng không chuyển đổi được tỷ lệ phần trăm lớn hơn của một lượng carbon dioxide nhất định.”
Mô hình hóa máy tính có thể giúp dự đoán thông số thiết bị nào sẽ tạo ra kết quả tốt nhất, nhưng chúng có xu hướng kém chính xác hơn trong việc dự đoán các vấn đề như sự giao thoa, tức là khi carbon dioxide di chuyển qua màng thay vì phản ứng. Để cải thiện độ chính xác của mô hình, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang động học Marcus–Hush–Chidsey, một lý thuyết trước đây chưa được tích hợp vào mô hình lắp ráp màng điện cực và được chứng minh là rất quan trọng để hiểu cơ chế phản ứng.
Các nhà nghiên cứu đã xác nhận mô hình của họ dựa trên dữ liệu thử nghiệm và nhận thấy rằng nó dự đoán kết quả trong thế giới thực tốt hơn các mô hình trước đó. Trong số những ưu điểm khác, việc sử dụng động học Marcus–Hush–Chidsey giúp giải thích được vai trò của sự định hướng của nước.
Sau đó, nhóm đã chạy thử nghiệm ảo với mô hình của mình để khám phá các thiết kế lắp ráp điện cực màng khác nhau hoạt động như thế nào về mặt sử dụng và chọn lọc carbon dioxide cho các sản phẩm mong muốn. Ông nói: “Với công việc này, chúng tôi đã chỉ ra cách bạn có thể tận dụng các nguyên tắc kỹ thuật hóa học để hướng tới những công nghệ tiên tiến đang xuất hiện trực tuyến này”. "Điều đó mang lại cho chúng tôi những hiểu biết sâu sắc và ý tưởng để tối ưu hóa các thiết kế và vật liệu tế bào này để chúng tôi có thể tiếp tục chế tạo chúng."
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
