Chất xúc tác ion lỏng giúp biến khí thải thành nhiên liệu

Giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học của Đại học Illinois, Paul Kenis và nhóm nghiên cứu của ông cùng các nhà nghiên cứu thuộc một công ty mới thành lập Dioxide Materials đã tạo ra một chất xúc tác giúp cải thiện quá trình quang hợp nhân tạo . Kết quả nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Science.

Quang hợp nhân tạo là quá trình chuyển đổi khí CO­ ₂thành các chất hóa học có thành phần cacbon hữu dụng. Hầu hết nhiên liệu và các chất khác đều thường được chiết xuất từ dầu  mỏ để thay thế cho quá trình chiết rút các hợp chất này từ sinh khối.

Ở thực vật, quá trình quang hợp sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển hóa CO ₂và nước thành đường và các hydrocacbon khác. Nhiên liệu sinh học được tinh chế từ đường được chiết xuất từ những cây trồng như cây ngô. Tuy nhiên, trong quá trình quang hợp nhân tạo, pin điện hóa sử dụng năng lượng từ một bộ thu ánh sáng mặt trời hoặc từ một tuabin gió để chuyển hóa CO ₂thành nhiên liệu cacbon đơn giản như axit fomic hoặc metanol, những chất sẽ được tinh chế tiếp thành etanol và các loại nhiên liệu khác.

Sự cải tiến quan trọng ở đây là phương thức này không cạnh tranh với nguồn cung lương thực và chi phí để truyền điện rẻ hơn nhiều so với chi phí vận chuyển sinh khối tới một nhà máy lọc dầu.

Tuy nhiên, một trở ngại lớn khiến quang hợp nhân tạo không thể trở thành phương pháp chính là bước đầu để sản xuất nhiên liệu, biến CO ₂thành CO tốn quá nhiều năng lượng. Phản ứng đầu tiên này đòi hỏi nhiều năng lượng hơn năng lượng được sản xuất ra và lưu trữ.

Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Illinois đã sử dụng một phương pháp tiếp cận mới, dùng chất dung dịch ion làm xúc tác cho phản ứng, giúp giảm đáng kể năng lượng để điều khiển quy trình. Dung dịch ion giúp ổn định các khâu trung gian trong phản ứng, vì vậy cần ít điện năng hơn để hoàn thành quá trình chuyển hóa.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một pin điện hóa làm thiết bị phản ứng dòng chảy, tách CO­ ₂đầu vào và O ₂đầu ra từ dung dịch xúc tác điện phân với các cực khuếch tán khí. Thiết kế của pin cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh thành phần của dòng điện phân bằng cách bổ sung thêm dung dịch ion như một chất đồng xúc tác để cải thiện pha động học của phản ứng.

Phương thức mới làm giảm hiện tượng vượt áp khi giảm mạnh CO ₂nên cần điện áp thấp hơn, tương đương với việc sử dụng ít năng lượng hơn.

Tiếp theo, các nhà khoa học hy vọng sẽ giải quyết được vấn đề về công suất. Để công nghệ mới trở nên hữu dụng đối với các ứng dụng thương mại, cần làm tăng tốc độ phản ứng và tối đa hóa sự chuyển hóa.

Sẽ cần nhiều thí nghiệm hơn nữa, nhưng nghiên cứu này đã đem đến một bước tiến dài trong việc làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đồng thời giảm phát thải CO ₂.