Một loại khoáng chất trong đất phân bố rộng rãi, α-sắt-(III) oxyhydroxide, được phát hiện là chất xúc tác có thể tái chế cho quá trình quang khử carbon dioxide thành axit formic.Ảnh: Giáo sư Kazuhiko Maeda
Quá trình quang khử CO2 thành nhiên liệu vận chuyển được như axit formic (HCOOH) là một cách tốt để chống lại sự gia tăng nồng độ CO2 trong khí quyển. Để hỗ trợ nhiệm vụ này, một nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Tokyo đã chọn một loại khoáng chất gốc sắt dễ kiếm và gắn nó lên chất nền alumina để phát triển một chất xúc tác có thể chuyển đổi CO2 thành HCOOH một cách hiệu quả, với độ chọn lọc khoảng 90%!
Xe điện là một lựa chọn hấp dẫn đối với nhiều người, và một lý do chính là chúng không phát thải carbon. Tuy nhiên, một nhược điểm lớn đối với nhiều người là phạm vi hoạt động hạn chế và thời gian sạc lâu. Đây là nơi mà nhiên liệu lỏng như xăng có lợi thế lớn. Mật độ năng lượng cao của chúng đồng nghĩa với phạm vi hoạt động dài và thời gian tiếp nhiên liệu nhanh chóng.
Việc chuyển từ xăng hoặc dầu diesel sang một loại nhiên liệu lỏng khác có thể loại bỏ khí thải carbon trong khi vẫn giữ được những ưu điểm của nhiên liệu lỏng. Ví dụ, trong pin nhiên liệu, axit formic có thể cung cấp năng lượng cho động cơ đồng thời thải ra nước và carbon dioxide. Tuy nhiên, nếu axit formic được sản xuất bằng cách khử CO2 trong khí quyển thành HCOOH, thì sản phẩm đầu ra ròng duy nhất là nước.
Nồng độ carbon dioxide gia tăng trong khí quyển và sự đóng góp của chúng vào hiện tượng nóng lên toàn cầu hiện nay đã trở thành tin tức phổ biến. Khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm nhiều phương pháp khác nhau để giải quyết vấn đề, một giải pháp hiệu quả đã xuất hiện—chuyển hóa lượng carbon dioxide dư thừa trong khí quyển thành các chất hóa học giàu năng lượng.
Việc sản xuất nhiên liệu như axit formic (HCOOH) bằng phương pháp quang khử CO2 dưới ánh sáng mặt trời gần đây đã thu hút rất nhiều sự chú ý vì quy trình này mang lại lợi ích kép: giảm lượng khí thải CO2 dư thừa và giúp giảm thiểu tình trạng thiếu năng lượng hiện nay. Là một chất mang hydro tuyệt vời với mật độ năng lượng cao, HCOOH có thể cung cấp năng lượng thông qua quá trình đốt cháy trong khi chỉ thải ra nước như một sản phẩm phụ.
Để biến giải pháp đầy hứa hẹn này thành hiện thực, các nhà khoa học đã phát triển các hệ thống quang xúc tác giúp khử carbon dioxide nhờ ánh sáng mặt trời. Hệ thống này bao gồm một chất nền hấp thụ ánh sáng (tức là chất nhạy quang) và một chất xúc tác cho phép truyền nhiều electron cần thiết để khử CO2 thành HCOOH. Và từ đó, việc tìm kiếm các chất xúc tác phù hợp và hiệu quả đã bắt đầu!
Hình ảnh minh họa quá trình khử carbon dioxide bằng phương pháp quang xúc tác sử dụng các hợp chất thông dụng. Nguồn: Giáo sư Kazuhiko Maeda
Do tính hiệu quả và khả năng tái chế, chất xúc tác rắn được coi là ứng cử viên tốt nhất cho nhiệm vụ này, và trong những năm qua, khả năng xúc tác của nhiều khung kim loại hữu cơ (MOF) gốc coban, mangan, niken và sắt đã được nghiên cứu, trong đó MOF gốc sắt có một số ưu điểm so với các kim loại khác. Tuy nhiên, hầu hết các chất xúc tác gốc sắt được báo cáo cho đến nay chỉ tạo ra carbon monoxide làm sản phẩm chính, chứ không phải HCOOH.
Tuy nhiên, vấn đề này đã nhanh chóng được giải quyết bởi một nhóm các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech) do Giáo sư Kazuhiko Maeda dẫn đầu. Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí hóa học Angewandte Chemie, nhóm nghiên cứu đã chứng minh chất xúc tác gốc sắt được hỗ trợ bởi alumina (Al2O3) sử dụng α-sắt(III) oxyhydroxide (α-FeO ​​OH; goethite). Chất xúc tác α-FeO ​​OH/Al2O3 mới này thể hiện hiệu suất chuyển đổi CO2 thành HCOOH tuyệt vời và khả năng tái sử dụng xuất sắc. Khi được hỏi về lựa chọn chất xúc tác, Giáo sư Maeda cho biết: “Chúng tôi muốn khám phá thêm các nguyên tố dồi dào hơn làm chất xúc tác trong hệ thống quang khử CO2. Chúng tôi cần một chất xúc tác rắn hoạt tính, có thể tái chế, không độc hại và giá rẻ. Đó là lý do tại sao chúng tôi chọn các khoáng chất trong đất phân bố rộng rãi như goethite cho các thí nghiệm của mình.”
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tẩm đơn giản để tổng hợp chất xúc tác của họ. Sau đó, họ sử dụng vật liệu Al2O3 được hỗ trợ bởi sắt để khử CO2 bằng phương pháp quang xúc tác ở nhiệt độ phòng với sự có mặt của chất nhạy quang gốc ruthenium (Ru), chất cho electron và ánh sáng nhìn thấy có bước sóng trên 400 nanomet.
Kết quả rất khả quan. Độ chọn lọc của hệ thống đối với sản phẩm chính HCOOH đạt 80–90% với hiệu suất lượng tử là 4,3% (cho thấy hiệu quả của hệ thống).
Nghiên cứu này giới thiệu một chất xúc tác rắn gốc sắt đầu tiên thuộc loại này, có khả năng tạo ra HCOOH khi kết hợp với chất nhạy quang hiệu quả. Nghiên cứu cũng thảo luận về tầm quan trọng của vật liệu hỗ trợ thích hợp (Al2O3) và ảnh hưởng của nó đến phản ứng khử quang hóa.
Những hiểu biết từ nghiên cứu này có thể giúp phát triển các chất xúc tác mới không chứa kim loại quý cho quá trình quang khử carbon dioxide thành các hóa chất hữu ích khác. “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy con đường hướng tới nền kinh tế năng lượng xanh không hề phức tạp. Ngay cả những phương pháp điều chế chất xúc tác đơn giản cũng có thể mang lại kết quả tuyệt vời, và người ta biết rằng các hợp chất dồi dào trong tự nhiên, nếu được hỗ trợ bởi các hợp chất như alumina, có thể được sử dụng làm chất xúc tác chọn lọc cho quá trình khử CO2”, Giáo sư Maeda kết luận.
Tài liệu tham khảo: “Alpha-Iron (III) Oxyhydroxide được hỗ trợ bằng Alumina như một chất xúc tác rắn có thể tái chế để khử quang CO2 dưới ánh sáng khả kiến” của Daehyeon An, Tiến sĩ Shunta Nishioka, Tiến sĩ Shuhei Yasuda, Tiến sĩ Tomoki Kanazawa, Tiến sĩ Yoshinobu Kamakura, Giáo sư .. Toshiyuki Yokoi, Giáo sư Shunsuke Nozawa, Giáo sư Kazuhiko Maeda, ngày 12 tháng 5 năm 2022, Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
“Đó là lý do tại sao nhiên liệu lỏng như xăng có lợi thế lớn. Mật độ năng lượng cao của chúng cho phép di chuyển quãng đường dài và tiếp nhiên liệu nhanh chóng.”
Hãy xem xét một vài con số nhé? Mật độ năng lượng của axit fomic so với xăng như thế nào? Với chỉ một nguyên tử carbon trong công thức hóa học, tôi nghi ngờ nó thậm chí còn không thể sánh được với xăng.
Ngoài ra, mùi của nó rất độc hại và, do là một loại axit, nó ăn mòn hơn cả xăng. Đây không phải là những vấn đề kỹ thuật không thể giải quyết, nhưng trừ khi axit formic mang lại những lợi ích đáng kể trong việc tăng phạm vi hoạt động và giảm thời gian sạc pin, thì có lẽ không đáng để đầu tư công sức.
Nếu họ có kế hoạch khai thác goethit từ lòng đất, đó sẽ là một hoạt động khai thác tốn nhiều năng lượng và có khả năng gây hại cho môi trường.
Họ có thể đề cập đến lượng lớn goethit trong đất vì tôi nghi ngờ rằng sẽ cần nhiều năng lượng hơn để khai thác các nguyên liệu thô cần thiết và phản ứng chúng để tổng hợp goethit.
Cần phải xem xét toàn bộ vòng đời của quy trình và tính toán chi phí năng lượng của mọi thứ. NASA đã không tìm thấy bằng chứng nào cho thấy việc phóng tên lửa là hoàn toàn miễn phí. Những người khác cần ghi nhớ điều này.
SciTechDaily: Nơi cung cấp những tin tức công nghệ tốt nhất kể từ năm 1998. Cập nhật những tin tức công nghệ mới nhất qua email hoặc mạng xã hội.
Chỉ cần nghĩ đến hương vị khói thơm lừng và quyến rũ của món nướng BBQ thôi cũng đủ khiến hầu hết mọi người phải thèm thuồng. Mùa hè đã đến, và đối với nhiều người…