Bài viết này đã được xem xét theo các quy trình và chính sách biên tập của Science X. Các biên tập viên đã nhấn mạnh những phẩm chất sau đây đồng thời đảm bảo tính toàn vẹn của nội dung:
Carbon dioxide (CO2) vừa là nguồn tài nguyên thiết yếu cho sự sống trên Trái đất, vừa là khí nhà kính góp phần gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu. Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu carbon dioxide như một nguồn tài nguyên đầy triển vọng để sản xuất nhiên liệu tái tạo, ít carbon và các sản phẩm hóa học có giá trị cao.
Thách thức đối với các nhà nghiên cứu là tìm ra những phương pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí để chuyển đổi carbon dioxide thành các chất trung gian carbon chất lượng cao như carbon monoxide, methanol hoặc axit formic.
Một nhóm nghiên cứu do KK Neuerlin thuộc Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo quốc gia (NREL) dẫn đầu cùng các cộng tác viên tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge đã tìm ra một giải pháp đầy hứa hẹn cho vấn đề này. Nhóm đã phát triển một phương pháp chuyển đổi để sản xuất axit formic từ carbon dioxide bằng cách sử dụng điện năng tái tạo với hiệu suất năng lượng và độ bền cao.
Nghiên cứu có tiêu đề “Kiến trúc lắp ráp điện cực màng có thể mở rộng để chuyển đổi điện hóa hiệu quả carbon dioxide thành axit formic” đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Axit formic là một chất trung gian hóa học tiềm năng với nhiều ứng dụng, đặc biệt là nguyên liệu thô trong ngành công nghiệp hóa chất hoặc sinh học. Axit formic cũng được xác định là nguyên liệu đầu vào cho quá trình lọc sinh học để sản xuất nhiên liệu hàng không sạch.
Quá trình điện phân CO2 dẫn đến sự khử CO2 thành các chất trung gian hóa học như axit formic hoặc các phân tử như etylen khi có điện thế được đặt vào buồng điện phân.
Cụm màng-điện cực (MEA) trong máy điện phân thường bao gồm một màng dẫn ion (màng trao đổi cation hoặc anion) nằm giữa hai điện cực gồm chất xúc tác điện hóa và polyme dẫn ion.
Dựa trên chuyên môn của nhóm về công nghệ pin nhiên liệu và điện phân hydro, họ đã nghiên cứu một số cấu hình MEA trong các tế bào điện phân để so sánh quá trình khử điện hóa CO2 thành axit formic.
Dựa trên phân tích lỗi của nhiều thiết kế khác nhau, nhóm nghiên cứu đã tìm cách khai thác những hạn chế của các bộ vật liệu hiện có, đặc biệt là việc thiếu khả năng loại bỏ ion trong các màng trao đổi anion hiện tại, và đơn giản hóa thiết kế hệ thống tổng thể.
Phát minh của KS Neierlin và Leiming Hu thuộc NREL là một thiết bị điện phân MEA cải tiến sử dụng màng trao đổi cation đục lỗ mới. Màng đục lỗ này cung cấp khả năng sản xuất axit formic ổn định, có độ chọn lọc cao và đơn giản hóa thiết kế bằng cách sử dụng các linh kiện có sẵn trên thị trường.
“Kết quả của nghiên cứu này thể hiện một bước ngoặt trong việc sản xuất điện hóa các axit hữu cơ như axit formic,” đồng tác giả Neierlin cho biết. “Cấu trúc màng đục lỗ làm giảm độ phức tạp của các thiết kế trước đây và cũng có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất năng lượng và độ bền của các thiết bị chuyển đổi carbon dioxide bằng điện hóa khác.”
Cũng như bất kỳ bước đột phá khoa học nào, việc hiểu rõ các yếu tố chi phí và tính khả thi về kinh tế là rất quan trọng. Làm việc liên ngành, các nhà nghiên cứu Zhe Huang và Tao Ling của NREL đã trình bày một phân tích kinh tế kỹ thuật nhằm xác định các cách thức để đạt được sự tương đương về chi phí với các quy trình sản xuất axit formic công nghiệp hiện nay khi giá điện năng tái tạo ở mức 2,3 cent/kilowatt-giờ hoặc thấp hơn.
“Nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết quả này bằng cách sử dụng các chất xúc tác và vật liệu màng polymer có sẵn trên thị trường, đồng thời tạo ra thiết kế MEA tận dụng được khả năng mở rộng quy mô của các pin nhiên liệu hiện đại và các nhà máy điện phân hydro,” Neierlin cho biết.
“Kết quả nghiên cứu này có thể giúp chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu và hóa chất bằng cách sử dụng điện năng tái tạo và hydro, đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang quy mô lớn và thương mại hóa.”
Các công nghệ chuyển đổi điện hóa là một yếu tố cốt lõi của chương trình Electrons to Molecules của NREL, tập trung vào hydro tái tạo thế hệ tiếp theo, nhiên liệu không phát thải, hóa chất và vật liệu cho các quy trình vận hành bằng điện.
“Chương trình của chúng tôi đang nghiên cứu các phương pháp sử dụng điện năng tái tạo để chuyển đổi các phân tử như carbon dioxide và nước thành các hợp chất có thể dùng làm nguồn năng lượng”, ông Randy Cortright, giám đốc chiến lược chuyển giao điện tử và/hoặc tiền chất để sản xuất nhiên liệu hoặc hóa chất của NREL, cho biết.
“Nghiên cứu chuyển đổi điện hóa này mang lại một bước đột phá có thể được ứng dụng trong nhiều quy trình chuyển đổi điện hóa khác nhau, và chúng tôi kỳ vọng vào những kết quả khả quan hơn nữa từ nhóm nghiên cứu này.”
Thông tin bổ sung: Leiming Hu và cộng sự, Kiến trúc lắp ráp điện cực màng có thể mở rộng để chuyển đổi điện hóa CO2 thành axit formic hiệu quả, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
Nếu bạn phát hiện lỗi chính tả, thông tin không chính xác hoặc muốn yêu cầu chỉnh sửa nội dung trên trang này, vui lòng sử dụng biểu mẫu này. Đối với các câu hỏi chung, vui lòng sử dụng biểu mẫu liên hệ của chúng tôi. Đối với phản hồi chung, vui lòng sử dụng phần bình luận công khai bên dưới (làm theo hướng dẫn).
Phản hồi của bạn rất quan trọng đối với chúng tôi. Tuy nhiên, do số lượng tin nhắn quá nhiều, chúng tôi không thể đảm bảo trả lời cá nhân từng người.
Địa chỉ email của bạn chỉ được sử dụng để thông báo cho người nhận biết ai đã gửi email. Cả địa chỉ của bạn và địa chỉ của người nhận đều không được sử dụng cho bất kỳ mục đích nào khác. Thông tin bạn nhập sẽ hiển thị trong email của bạn và sẽ không được Tech Xplore lưu trữ dưới bất kỳ hình thức nào.
Trang web này sử dụng cookie để hỗ trợ điều hướng, phân tích việc sử dụng dịch vụ của chúng tôi, thu thập dữ liệu cá nhân hóa quảng cáo và cung cấp nội dung từ bên thứ ba. Bằng cách sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách Bảo mật và Điều khoản Sử dụng của chúng tôi.