Phương pháp sản xuất nhiên liệu carbon trung tính mới từ khí CO2

Đây là phương thức mới giúp chuyển đổi khí CO₂ thành nguyên liệu chế tạo nhiên liệu lỏng bền vững rất hiệu quả trong thử nghiệm và không có phản ứng phá hủy thiết bị thông thường.

Nếu ý tưởng bay máy bay thương mại chạy bằng pin khiến bạn lo lắng, bạn có thể yên tâm một chút rồi đó. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra điểm khởi đầu thực tế cho việc chuyển đổi khí CO₂ thành nhiên liệu lỏng bền vững, bao gồm cả nhiên liệu cho các phương tiện vận chuyển nặng hơn mà rất khó để điện khí hóa như máy bay, tàu chở người và tàu chở hàng.

Minh họa thể hiện điện cực niken giống như một máy bơm nhiên liệu cũ bị hỏng còn điện cực xeri (cerium) giống như một máy bơm mới, với năng suất cao. (Nguồn: Cube3D).

Tái sử dụng carbon trung tính của CO₂ là phương pháp thay thế cho việc chôn vùi khí nhà kính dưới lòng đất. Trong một nghiên cứu mới được công bố hôm nay trên tạp chí Nature Energy, các nhà nghiên cứu từ Đại học Stanford và Đại học Kỹ thuật Đan Mạch (DTU) đã chỉ ra điện và một chất xúc tác dồi dào trên Trái đất có thể chuyển CO₂ thành CO giàu năng lượng tốt hơn các phương pháp thông thường như thế nào. Chất xúc tác - oxit xeri - có khả năng chống phân hủy cao hơn nhiều. Tách oxy từ CO₂ để tạo khí CO là bước đầu tiên để biến CO₂ thành dạng gần với dạng lỏng và các sản phẩm khác như khí tổng hợp và nhựa. Việc bổ sung hydro vào CO có thể tạo ra các nhiên liệu như diesel tổng hợp và nhiên liệu tương tự với nhiên liệu máy bay. Nhóm nghiên cứu dự tính sử dụng năng lượng tái tạo để tạo ra CO và các sản phẩm chuyển đổi phụ, từ đó tạo ra các sản phẩm carbon trung tính.

William Chueh, phó giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Stanford, một trong ba tác giả chính của nghiên cứu cho biết: "Chúng tôi đã chứng minh được có thể sử dụng điện để biến CO₂ thành CO với độ chọn lọc 100% mà không tạo ra các sản phẩm phụ carbon thể rắn không mong muốn”.

Chueh, sau khi biết đến nghiên cứu của DTU trên lĩnh vực này, đã mời Christopher Graves, phó giáo sư tại Bộ phận chuyển đổi và tích trữ năng lượng của DTU và Theis Skafte, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại DTU vào thời điểm đó, đến Stanford và cùng nghiên cứu về công nghệ này

Skafte, tác giả chính của nghiên cứu đồng thời đang là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại DTU, cho biết: “Chúng tôi đã nghiên cứu điện phân CO₂ ở nhiệt độ cao trong nhiều năm, nhưng việc hợp tác với Đại học Stanford mới chính là chìa khóa để chúng tôi đạt được bước đột phá này. Chúng tôi đã đạt được hai điều không thể tách rời – đó là sự hiểu biết cơ bản và sự hiện diện thực tiễn của một vật liệu có đặc tính mạnh hơn".

Rào cản cho sự chuyển đổi

Lợi thế của nhiên liệu lỏng bền vững so với các phương tiện điện khí hóa là chúng ta có thể sử dụng các dụng cụ và cơ sở vật chất xăng dầu hiện có như các động cơ, đường ống và trạm xăng. Ngoài ra, các rào cản khi điện khí hóa máy bay và tàu - di chuyển đường dài và trọng lượng pin lớn - sẽ không còn là vấn đề khi chúng ta sử dụng nhiên liệu carbon trung tính, giàu năng lượng.

Từ trái qua: Christopher Graves, Michal Bajdich và Michael Machala trước máy lắng đọng xung laser mà Machala sử dụng để chế tạo các điện cực. (Nguồn: Mark Golden).

Mặc dù các loài thực vật phân giải CO₂ thành đường giàu carbon một cách tự nhiên nhưng phương thức điện hóa nhân tạo để tạo ra CO vẫn chưa được thương mại hóa rộng rãi. Một trong số các vấn đề là: Các thiết bị sử dụng quá nhiều điện, chỉ chuyển đổi một lượng thấp các phân tử CO₂ hoặc tạo ra carbon tinh khiết phá hủy các thiết bị. Các nhà nghiên cứu trong nghiên cứu mới lần đầu tiên kiểm tra ra được sự khác biệt giữa các thiết bị thành công và thất bại trong quá trình điện phân CO₂.

Với những hiểu biết đã đạt được, các nhà nghiên cứu đã xây dựng hai pin nhiên liệu để thử nghiệm chuyển đổi CO₂: một pin dùng oxit xeri và một pin dùng các chất xúc tác niken thông thường. Điện cực xeri vẫn ổn định, trong khi các cặn carbon làm hỏng điện cực niken, rút ​​ngắn đáng kể tuổi thọ của chất xúc tác.

Graves, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, đồng thời là học giả thỉnh giảng tại Stanford vào thời điểm đó, cho biết: “Khả năng đáng chú ý này của xeri có ảnh hưởng chính tới tuổi thọ thực tế của các thiết bị điện phân CO₂. Thay thế điện cực niken hiện tại bằng điện cực xeri mới của chúng tôi trong máy điện phân thế hệ tiếp theo sẽ cải thiện tuổi thọ thiết bị”.

Con đường tới thương mại hóa

Loại bỏ việc pin hết sớm có thể làm giảm đáng kể chi phí sản xuất CO thương mại. Việc ngăn chặn sự tích tụ carbon cũng cho phép loại thiết bị mới chuyển đổi nhiều CO₂ thành CO hơn, giới hạn nồng độ sản phẩm CO dưới 50% trong các pin hiện nay. Điều này cũng có thể giúp giảm chi phí sản xuất.

Michal Bajdich, tác giả đầu tiên của nghiên cứu đồng thời là trợ lý khoa học tại Trung tâm Khoa học Giao diện & Xúc tác SUNCAT, thành quả hợp tác của Phòng thí nghiệm gia tốc Quốc gia SLAC và Trường Kỹ thuật Stanford, cho biết: “Cơ chế ức chế carbon trên xeri dựa trên việc bẫy carbon ở dạng oxy hóa ổn định. Chúng tôi đã có thể giải thích hoạt động này bằng các mô hình tính toán giảm CO₂ ở nhiệt độ cao, sau đó xác nhận bằng quang phổ quang điện tử của pin đang hoạt động”.

Chi phí kiểm soát CO₂ cao là rào cản khiến việc cô lập nó dưới lòng đất trên quy mô lớn trở nên khó khăn và chi phí cao này cũng có thể là rào cản cho việc sử dụng CO₂ để tạo ra nhiên liệu và hóa chất bền vững hơn. Tuy nhiên, giá trị thị trường của những sản phẩm đó kết hợp với chi phí loại bỏ khí thải carbon có thể giúp các công nghệ sử dụng CO₂ vượt qua rào cản chi phí nhanh hơn.

Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng nghiên cứu ban đầu của họ về các cơ chế hoạt động trong các thiết bị điện phân CO₂ bằng quang phổ và mô hình hóa sẽ giúp những người khác điều chỉnh các tính chất bề mặt của xeri và các oxit khác để cải thiện hơn nữa quá trình điện phân CO₂.