Sản xuất axit formic hiệu quả cao từ CO₂ bằng quang hợp nhân tạo và phản ứng xúc tác dựa trên silicon

Sản xuất axit formic hiệu quả cao từ CO₂ bằng quang hợp nhân tạo và phản ứng xúc tác dựa trên silicon
Nghiên cứu về tổng hợp axit formic hiệu quả từ CO₂ làm nguyên liệu đã đạt những tiến triển đáng kể. Mitsubishi Electric và Đại học Khoa học Tokyo đã sản xuất thành công axit formic bằng cách chế tạo các tấm xúc tác quang hợp nhân tạo từ titan oxit và các vật liệu khác. Trong khi đó, Đại học Quốc gia Yokohama, Công ty TNHH Phát triển Điện lực (J-Power) và Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia (AIST) đã tổng hợp axit formic từ CO₂ bằng cách sử dụng silic (Si) thu hồi từ các tấm pin mặt trời đã qua sử dụng làm chất khử.

Ngày 28/7, Mitsubishi Electric và Đại học Khoa học Tokyo thông báo đã thành công trong việc sản xuất axit formic từ CO₂ bằng tấm xúc tác quang hợp nhân tạo dạng tấm sử dụng cacbon nitrua — một chất bán dẫn hữu cơ hấp thụ ánh sáng khả kiến. Một lớp titan oxit được phủ lên tấm kính, sau đó cố định cacbon nitrua lên trên. Phức chất ruthenium (RuP), đóng vai trò là vị trí hoạt động để khử CO₂, được hấp phụ lên bề mặt xúc tác quang dạng tấm. Kết quả thử nghiệm xác nhận axit formic được tạo ra từ CO₂ khi tiếp xúc với ánh sáng khả kiến.

Các phương pháp quang hợp nhân tạo thông thường cần lọc bột mịn của hạt quang xúc tác trong dung dịch phản ứng, nhưng với thiết kế dạng tấm, công đoạn này không còn cần thiết, giúp việc thu hồi axit formic thuận lợi hơn. Khi nhúng tấm xúc tác vào dung dịch phản ứng và chiếu ánh sáng khả kiến 400 nm, axit formic được tạo ra với độ chọn lọc cao 85%, tương đương khoảng 80% hiệu suất sản xuất của phương pháp thông thường.

Ngoài ra, ngày 13/7, Đại học Quốc gia Yokohama, J-Power và AIST công bố đã tổng hợp thành công axit formic (H₂CO₂) và silica (SiO₂) bằng cách kết hợp CO₂ từ khí thải nhà máy nhiệt điện với nước thông qua phản ứng xúc tác sử dụng silic thải thu hồi từ các tấm pin mặt trời bị loại bỏ làm chất khử.

Nhóm nghiên cứu đã thu khí thải từ một nhà máy nhiệt điện than với nồng độ CO₂ 14%, nén đến áp suất 9 atm và cho phản ứng với silic thải, đạt hiệu suất thu axit formic từ CO₂ là 73%. Trước đây, nhóm đã chứng minh việc sản xuất axit formic từ CO₂ tinh khiết và silic tinh khiết cao; lần này họ chứng minh có thể sử dụng silic thải và khí thải thực tế mà không cần xử lý đặc biệt. Kết quả này được đánh giá là một bước tiến hướng tới phương pháp tái chế có giá trị cho các tấm pin mặt trời đã qua sử dụng.

Silic thải từ các tấm pin mặt trời bỏ đi + CO₂ trong khí thải của nhà máy nhiệt điện → Dưới tác dụng của nước (H₂O) và phản ứng xúc tác, được chuyển hóa thành silica xốp và axit fomic (HCOOH).

Silic thải + khí thải từ nhà máy nhiệt điện → Dưới tác dụng của xúc tác, nước (4 mmol) và NMP (2 mL) ở 100 °C trong 24 giờ, CO₂ được chuyển hóa thành axit fomic (HCOOH).

• Thực hiện tại Công ty Phát triển Điện lực (Nhà máy Nhiệt điện Isogo).

• Hai phương pháp thử nghiệm:

  1. Qua bình chứa: Xúc tác 0,7 mmol → axit fomic 0,85 mmol; Xúc tác 1,0 mmol → axit fomic 1,10 mmol.

  2. Đưa trực tiếp tại chỗ: Xúc tác 0,7 mmol → axit fomic 0,78 mmol.

• Hiệu suất: 73%.

Axit formic là chất lỏng dễ vận chuyển và lưu trữ. Khi được sản xuất bằng quang hợp nhân tạo sử dụng ánh sáng mặt trời, nó được chú ý như một phương tiện lưu trữ năng lượng tái tạo. Hydro có thể được chiết xuất từ axit formic, biến nó thành chất mang hydro tiềm năng. Axit formic còn được dùng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như chất khử trùng, chất bảo quản và chất tẩy rửa, với nhu cầu trong nước khoảng 20.000 tấn/năm.