Các nhà khoa học đã phát triển một thiết bị có khả năng thu giữ khí carbon dioxide (CO₂) và chuyển đổi trực tiếp thành hóa chất hữu ích chỉ trong một bước. Điện cực mới này có thể hoạt động với khí thải thực tế mà không cần CO₂ tinh khiết. Lượng CO₂ thu được sẽ được biến đổi thành axit formic - một chất có ứng dụng trong năng lượng và sản xuất công nghiệp. Hệ thống thậm chí còn vận hành hiệu quả ở nồng độ CO₂ thấp như trong không khí tự nhiên.

Khí thải từ lò sưởi gia đình, lò đốt, và các cơ sở công nghiệp thải CO₂ vào không khí, góp phần gây ô nhiễm. Các nhà khoa học công bố trên ACS Energy Letters đã phát triển một loại điện cực mới được thiết kế để giải quyết vấn đề này bằng cách thu giữ CO₂ trực tiếp từ không khí và chuyển nó thành một hóa chất hữu ích gọi là axit formic. Trong các thử nghiệm, hệ thống này vượt trội hơn các công nghệ điện cực hiện có khi tiếp xúc với khí thải mô phỏng và khi vận hành ở nồng độ CO₂ tương đương với mức trong khí quyển.

“Công trình này cho thấy việc thu giữ và chuyển đổi carbon không cần phải được xử lý như hai bước riêng biệt. Bằng cách tích hợp cả hai chức năng vào một điện cực duy nhất, chúng tôi chứng minh được một con đường đơn giản hơn để sử dụng CO₂ trong điều kiện khí thực tế”. Wonyong Choi, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết.

Tại sao việc chuyển đổi CO₂ lại khó đến vậy

Việc tách CO₂ ra khỏi không khí có vẻ đơn giản, đặc biệt vì thực vật làm điều đó một cách tự nhiên. Thách thức lớn hơn nằm ở việc biến lượng khí thu được thành thứ gì đó hữu ích — một bước thiết yếu nếu các công nghệ thu giữ carbon muốn được áp dụng rộng rãi. Trong khí thải công nghiệp thực tế, CO₂ thường trộn lẫn với các khí khác, bao gồm nitơ và oxy. Hầu hết các hệ thống chuyển đổi hiện nay chỉ hoạt động hiệu quả khi CO₂ đã được tách riêng và cô đặc trước đó, điều này làm giảm tính thực tiễn của chúng.

Để vượt qua trở ngại này, Donglai Pan, Myoung Hwan Oh, Wonyong Choi và các cộng sự đã tìm cách xây dựng một hệ thống có thể hoạt động trong điều kiện thực tế. Mục tiêu của họ là tạo ra một thiết bị có khả năng xử lý khí thải đúng như khi được tạo ra và chuyển đổi ngay cả lượng CO₂ thu được nhỏ thành sản phẩm có giá trị.

Bên trong điện cực ba lớp

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một điện cực cho phép khí đi xuyên qua, giữ lại carbon dioxide và đồng thời chuyển đổi nó. Thiết bị gồm ba lớp: một vật liệu hấp thụ CO₂, một tấm giấy carbon thấm khí, và một lớp xúc tác oxit thiếc. Các thành phần này phối hợp cho phép chuyển đổi trực tiếp khí CO₂ thành axit formic.

Axit formic là một hóa chất quan trọng được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm pin nhiên liệu và các quy trình công nghiệp khác. Việc sản xuất trực tiếp từ khí thải có thể giúp tái sử dụng carbon trở nên thực tế và tiết kiệm chi phí hơn.

Kết quả tốt trong điều kiện thực tế

Khi thử nghiệm với khí CO₂ tinh khiết, điện cực mới cho thấy hiệu suất cao hơn khoảng 40% so với các điện cực chuyển đổi carbon hiện có trong điều kiện phòng thí nghiệm tương tự. Lợi thế này càng rõ ràng hơn khi các nhà nghiên cứu sử dụng khí thải mô phỏng chứa 15% CO₂, 8% oxy và 77% nitơ. Trong các điều kiện này, hệ thống mới vẫn tiếp tục tạo ra lượng axit formic đáng kể, trong khi các công nghệ khác tạo ra rất ít.

Điện cực cũng chứng minh khả năng thu giữ carbon dioxide ở nồng độ tương đương mức trong khí quyển, cho thấy nó có thể hoạt động trong không khí xung quanh. Theo các nhà nghiên cứu, cách tiếp cận này mở ra con đường đầy hứa hẹn để tích hợp thu giữ carbon vào các ứng dụng công nghiệp thực tế. Họ cũng cho rằng các thiết kế tương tự trong tương lai có thể được điều chỉnh để thu giữ và chuyển đổi các khí nhà kính khác, bao gồm methane.