Tái sinh điện hóa một bước của CO₂ từ (bi)cacbonat giúp tăng hiệu quả thu giữ carbon
So sánh giữa tái sinh CO2 nhiệt và điện hóa trong vòng thu giữ carbon CO2-cacbonat. a, Minh họa sơ đồ quy trình thu giữ CO2 quy mô thí điểm thông qua vòng canxi cacbonat. Bước tái sinh CO2 bao gồm quá trình ủ canxi cacbonat ở nhiệt độ cao (900 °C), tiêu thụ khí đốt tự nhiên và phần lớn tổng mức tiêu thụ năng lượng. b, Minh họa sơ đồ quá trình tái sinh CO2 điện hóa từ dung dịch cacbonat hoặc bicarbonat trong lò phản ứng điện phân rắn của chúng tôi để tạo thành vòng thu giữ carbon hoàn chỉnh. Nguồn: Zhang và cộng sự (Nature Energy, 2024).
Mặc dù các hệ thống có thể tạo ra năng lượng từ các nguồn tái tạo đang ngày càng trở nên phổ biến, nhưng có thể phải mất một thời gian trước khi các hệ thống này thay thế hoàn toàn các giải pháp dựa vào việc đốt nhiên liệu hóa thạch. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu đã cố gắng phát triển các công nghệ có thể giảm thiểu tác động tiêu cực của khí thải carbon đối với khí hậu và môi trường trên Trái đất.
Trong những năm gần đây, thu giữ carbon đã nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn để giảm sự hiện diện của khí nhà kính, đặc biệt là carbon dioxide (CO₂), trong khí quyển. Đúng như tên gọi của nó, thu giữ carbon bao gồm việc thu giữ CO₂ do các nhà máy công nghiệp và các hoạt động khác của con người thải ra để sau đó lưu trữ dưới lòng đất hoặc tái sử dụng.
Mặc dù một số hệ thống thu giữ carbon đã được giới thiệu trong vài năm qua, nhưng hầu hết đều quá đắt hoặc đòi hỏi quá nhiều năng lượng. Những thách thức này cho đến nay đã hạn chế khả năng thương mại hóa và triển khai rộng rãi của chúng.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice gần đây đã giới thiệu một phương pháp tiếp cận một bước để hiện thực hóa quá trình tái tạo điện hóa CO₂ từ các dung dịch chứa carbon, đây thường là bước tiêu tốn nhiều năng lượng nhất được hoàn thành bởi các công nghệ thu giữ carbon. Bài báo của họ, được công bố trên tạp chí Nature Energy, có thể mở ra những khả năng mới thú vị để thu giữ CO₂ hiệu quả về mặt năng lượng tại các địa điểm công nghiệp, từ đó có thể góp phần giảm ô nhiễm không khí trên Trái đất.
"Các công nghệ thu giữ carbon thông thường thường tiêu thụ một lượng nhiệt đáng kể và liên quan đến nhiều bước để tái tạo", Xiao Zhang, Zhiwei Fang và các đồng nghiệp của họ đã viết trong bài báo của mình. "Chúng tôi đã chứng minh được quá trình tái sinh điện hóa một bước của CO2 và chất hấp thụ kiềm từ các dung dịch chứa carbon trong lò phản ứng điện phân rắn xốp dạng mô-đun (PSE)".
Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các dung dịch (bi)cacbonat có thể liên tục được chuyển đổi trở lại thành khí CO₂ có độ tinh khiết cao thông qua phản ứng thoát hydro và phản ứng oxy hóa khử hydro (HER/HOR). Quá trình này đã được chứng minh bằng cách sử dụng lò phản ứng điện phân rắn dạng mô-đun.
"Bằng cách thực hiện các phản ứng thoát hydro và oxy hóa khử, lò phản ứng PSE của chúng tôi đã phân tách chọn lọc các dung dịch NaHCO3/Na2CO3, thường đến từ các bộ tiếp xúc không khí sau khi hấp thụ CO2, thành chất hấp thụ NaOH trong catot và khí CO2 có độ tinh khiết cao trong lớp PSE", Zhang, Fang và các đồng nghiệp của họ đã viết. "Không có hóa chất nào được tiêu thụ và không có sản phẩm phụ nào được tạo ra".
Lò phản ứng điện phân rắn dạng mô-đun do nhóm nghiên cứu này phát triển và sử dụng đã được phát hiện có khả năng tái sinh CO₂ có độ tinh khiết cao từ các dung dịch (bi)cacbonat một cách hiệu quả. Trong các thử nghiệm ban đầu, lò phản ứng đã chứng minh được số lượng vận chuyển ion Na+ cao (~90%), khả năng giữ lại dung lượng bắt giữ cao (~90%) và mức tiêu thụ năng lượng thấp (50 kJ molCO2−1 ở 1 mA cm−2 và 118 kJ molCO2−1 ở và 100 mA cm−2).
Đáng chú ý, lò phản ứng cũng được phát hiện là vẫn giữ được độ ổn định sau khi hoạt động trong hơn 100 giờ. Những kết quả đáng khích lệ này làm nổi bật tiềm năng của phương pháp tái tạo CO₂ do nhóm đề xuất, cho thấy rằng đây có thể là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho các quy trình tái tạo nhiệt thông thường.
"Chúng tôi đã đạt được tốc độ tái tạo carbon có liên quan đến công nghiệp lên tới 1 A cm−2 (~18 mmol cm−2 h−1), làm nổi bật tiềm năng ứng dụng đầy hứa hẹn", các nhà nghiên cứu viết.
Nghiên cứu gần đây của Zhang, Fang và các đồng nghiệp của họ có thể truyền cảm hứng cho các nhóm khác thử nghiệm phương pháp tái tạo CO₂ thay thế này và tiềm năng của nó trong việc cải thiện hiệu quả năng lượng của các công nghệ thu giữ carbon. Là một phần trong nghiên cứu trong tương lai, các nhà nghiên cứu có kế hoạch mở rộng quy mô lò phản ứng của họ đồng thời cải thiện thiết kế của nó để đạt được kết quả tốt hơn nữa.
