Nghiên cứu Vanadi tạo ra tiến bộ quan trọng trong việc thu giữ carbon từ không khí
Vanadi, một trong những vật liệu thu giữ CO2, có màu tím đậm rực rỡ. Nhà cung cấp hình ảnh: May Nyman, giáo sư hóa học, Đại học Khoa học OSU
Một nguyên tố hóa học có vẻ ngoài ấn tượng đến mức được đặt theo tên của một nữ thần, thể hiện mức độ phản ứng "Goldilocks"—không quá nhiều cũng không quá ít—khiến nó trở thành một ứng cử viên nặng ký làm công cụ lọc cacbon.
Nguyên tố này là vanadi và nghiên cứu của các nhà khoa học tại Đại học Bang Oregon, được công bố trên tạp chí Chemical Science, đã chứng minh khả năng của các phân tử vanadi peroxide phản ứng và liên kết với carbon dioxide—một bước quan trọng hướng tới các công nghệ cải tiến nhằm loại bỏ carbon dioxide khỏi khí quyển.
Nghiên cứu này là một phần trong nỗ lực trị giá 24 triệu đô la của liên bang nhằm phát triển các phương pháp mới để thu hồi không khí trực tiếp hay DAC của carbon dioxide, một loại khí nhà kính được tạo ra do đốt nhiên liệu hóa thạch và có liên quan đến biến đổi khí hậu.
Các cơ sở lọc carbon từ không khí đã bắt đầu mọc lên trên toàn cầu nhưng chúng vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Các công nghệ giảm thiểu carbon dioxide tại điểm xâm nhập vào khí quyển, chẳng hạn như tại các nhà máy điện, được phát triển tốt hơn. Các nhà khoa học cho biết cả hai loại thu giữ carbon này có thể sẽ cần thiết nếu Trái đất muốn tránh những kết quả tồi tệ nhất của biến đổi khí hậu.
Vào năm 2021, May Nyman của Bang Oregon, Giáo sư Hóa học Terence Bradshaw tại Trường Cao đẳng Khoa học, được chọn làm người lãnh đạo một trong chín dự án thu giữ không khí trực tiếp do Bộ Năng lượng tài trợ. Nhóm của cô đang khám phá cách một số phức kim loại chuyển tiếp có thể phản ứng với không khí để loại bỏ carbon dioxide và chuyển nó thành cacbonat kim loại, tương tự như những gì được tìm thấy trong nhiều khoáng chất tự nhiên.
Các kim loại chuyển tiếp nằm gần trung tâm của bảng tuần hoàn và tên của chúng bắt nguồn từ sự chuyển đổi của các electron từ trạng thái năng lượng thấp sang trạng thái năng lượng cao và ngược lại, tạo ra các màu sắc đặc biệt. Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã đến vanadium, được đặt tên theo Vanadis, tên Bắc Âu cổ của nữ thần tình yêu Scandinavia được cho là đẹp đến mức nước mắt của cô biến thành vàng.
Nyman giải thích rằng carbon dioxide tồn tại trong khí quyển với mật độ 400 phần triệu. Điều đó có nghĩa là cứ 1 triệu phân tử không khí thì có 400 phân tử trong số đó là carbon dioxide, hay 0,04%.
Nyman cho biết: “Thách thức với việc thu giữ không khí trực tiếp là tìm ra các phân tử hoặc vật liệu đủ chọn lọc hoặc các phản ứng khác có nhiều phân tử không khí hơn, chẳng hạn như phản ứng với nước, sẽ vượt trội hơn phản ứng với CO2”. "Nhóm của chúng tôi đã tổng hợp một loạt phân tử chứa ba phần quan trọng trong việc loại bỏ carbon dioxide khỏi khí quyển và chúng phối hợp với nhau."
Một phần là vanadi, được đặt tên như vậy vì nó có thể có nhiều màu sắc đẹp, và phần khác là peroxide, liên kết với vanadi. Nyman cho biết, do phân tử vanadi peroxide mang điện tích âm nên nó cần các cation kiềm để cân bằng điện tích và các nhà nghiên cứu đã sử dụng các cation kiềm kali, rubidium và Caesium cho nghiên cứu này.
Cô nói thêm rằng các cộng tác viên cũng đã thử thay thế vanadi bằng các kim loại khác ở cùng khu vực trên bảng tuần hoàn.
Nyman cho biết: “Vonfram, niobi và tantalum không hiệu quả bằng dạng hóa chất này. “Mặt khác, molypden phản ứng mạnh đến mức đôi khi nó phát nổ.”
Ngoài ra, các nhà khoa học đã thay thế amoni và tetramethyl amoni, chất kiềm có tính axit nhẹ. Những hợp chất đó hoàn toàn không phản ứng, một điều khó hiểu mà các nhà nghiên cứu vẫn đang cố gắng tìm hiểu.
Nyman nói: “Và khi chúng tôi loại bỏ peroxide, một lần nữa, không có quá nhiều phản ứng xảy ra. “Theo nghĩa này, vanadi peroxide là một Goldilocks màu tím, đẹp mắt, trở thành vàng khi tiếp xúc với không khí và liên kết với phân tử carbon dioxide.”
Cô lưu ý rằng một đặc tính có giá trị khác của vanadi là nó cho phép nhiệt độ giải phóng tương đối thấp khoảng 200°C đối với carbon dioxide thu được.
Bà nói: “Con số này cao hơn gần 700°C khi nó liên kết với kali, lithium hoặc natri, những kim loại khác được sử dụng để thu giữ carbon”. "Khả năng giải phóng lại lượng CO2 thu được cho phép tái sử dụng các vật liệu thu giữ cacbon và nhiệt độ cần thiết để thực hiện điều đó càng thấp thì càng cần ít năng lượng hơn và chi phí càng nhỏ. Có một số ý tưởng rất thông minh về tái sử dụng cacbon thu được đã được thực hiện được triển khai—ví dụ: dẫn khí CO2 thu được vào nhà kính để trồng cây."
Các tác giả khác của Bang Oregon trên bài báo bao gồm Tim Zuehlsdorff, trợ lý giáo sư hóa học lý thuyết/vật lý, và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Eduard Garrido.
Nyman nói: “Tôi cũng thực sự tự hào về sự làm việc chăm chỉ của các nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của tôi, Zhiwei Mao và Karlie Bach, cũng như sinh viên đại học Taylor Linsday”. "Đây là một lĩnh vực hoàn toàn mới đối với phòng thí nghiệm của tôi, cũng như đối với Tim Zuehlsdorff, người giám sát nghiên cứu sinh tiến sĩ Jacob Hirschi về các nghiên cứu tính toán để giải thích các cơ chế phản ứng.
