Các nhà khoa học Hàn Quốc tìm ra cách biến CO₂ thành "vàng lỏng"

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu tiếp tục leo thang và lượng khí thải carbon đạt mức cao kỷ lục, nhu cầu tìm cách tái chế hiệu quả carbon dioxide (CO₂) chưa bao giờ cấp thiết hơn lúc này. Cùng với làn sóng toàn cầu hướng tới trung hòa carbon đang gia tăng, các phương pháp sáng tạo biến CO₂ thành nhiên liệu và hóa chất hữu ích đang nhanh chóng thu hút sự quan tâm.

Trong số đó, việc chuyển đổi CO₂ thành các sản phẩm dựa trên cồn đặc biệt hứa hẹn do hàm lượng năng lượng cao và giá trị kinh tế của các hợp chất này. Mặc dù có tiềm năng lớn, quá trình này từ lâu đã bị cản trở bởi hiệu suất thấp và thách thức trong việc mở rộng quy mô lên mức công nghiệp.

Gần đây, một nhóm các nhà khoa học từ Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju (GIST) Hàn Quốc, dẫn đầu bởi Giáo sư Tiến sĩ Jaeyoung Lee, Tiến sĩ Minjun Choi và Tiến sĩ Sooan Bae, đã công bố một bước đột phá quan trọng trong lĩnh vực này.

Cách tiếp cận mới của nhóm nghiên cứu trong việc chuyển đổi CO₂ thành cồn đã thiết lập kỷ lục hiệu suất toàn cầu bằng cách kết hợp hiệu quả vượt trội với khả năng sản xuất quy mô lớn. Được công bố trên tạp chí Nature Catalysis, nghiên cứu mới tiết lộ một kỹ thuật điện hóa chuyển đổi CO₂ thành 'allyl alcohol' (rượu allylic), một hợp chất giá trị cao với nhiều ứng dụng công nghiệp.

Thách thức trong việc khử co₂ thành hợp chất giá trị cao

Công nghệ khử điện hóa CO₂ là một công nghệ chìa khóa trong kỷ nguyên trung hòa carbon, có khả năng chuyển đổi CO₂ (thủ phạm chính gây nóng lên toàn cầu) thành các chất hữu ích. Tuy nhiên, việc sản xuất chọn lọc các hợp chất giá trị gia tăng cao có ba hoặc nhiều nguyên tử carbon, như allyl alcohol, đặt ra nhiều thách thức. Thứ nhất, các phương pháp hiện tại chỉ đạt hiệu suất Faraday rất thấp - dưới 15% năng lượng điện được sử dụng thực sự tạo ra hợp chất mong muốn, phần còn lại bị lãng phí. Thứ hai, con đường phản ứng phức tạp và các chất trung gian có độ ổn định thấp, làm tăng thêm sự kém hiệu quả của quá trình.

Giáo sư Lee giải thích: "Allyl alcohol (C₃H₆O) là một chất rất hữu ích có thể được sử dụng trong các phản ứng hóa học đa dạng. Tuy nhiên, việc sản xuất các hợp chất giá trị gia tăng cao này ở dạng lỏng rất khó khăn do quá trình hình thành liên kết carbon-carbon (C–C) phức tạp và độ ổn định thấp của chất trung gian phản ứng".

Công nghệ do các nhà nghiên cứu GIST phát triển rất đáng chú ý. Nhóm đã tạo ra một chất xúc tác đồng giàu phốt pho bằng cách tích hợp đồng phosphide (CuP₂) vào một hệ thống điện cực-màng (membrane-electrode assembly) cùng với một chất xúc tác oxy hóa niken-sắt (NiFe). Bằng việc dụng chất xúc tác này trong hệ thống điện hóa, họ đạt được hiệu suất Faraday lên tới 66,9%, cao gấp khoảng 4 lần so với công nghệ tốt nhất hiện tại (<15%). Hiệu suất cao này chứng minh tính chọn lọc tuyệt vời của chất xúc tác, giảm thiểu việc sản xuất các sản phẩm phụ không mong muốn và chỉ chọn lọc tạo ra chất cần thiết.

Ngoài ra, công nghệ này cũng ghi nhận mật độ dòng điện riêng phần (partial current density) là 735,4 mA cm⁻² và tốc độ sản xuất đạt 1643 μmol cm⁻² h⁻¹ trong một quy trình có thể áp dụng dòng điện 1100 mA cm⁻² trên mỗi đơn vị diện tích điện cực. Các chỉ số này đại diện cho hiệu suất cao nhất từng được báo cáo cho đến nay và cũng nhấn mạnh tiềm năng ứng dụng quy mô lớn.

Tiềm năng công nghiệp

Vì allyl alcohol được sử dụng làm nguyên liệu thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp như nhựa, chất kết dính, chất khử trùng và nước hoa, công nghệ mới có thể là bước ngoặt cho việc sản xuất hàng loạt hợp chất này.

Hơn nữa, phương pháp này cũng độc đáo về cơ chế hoạt động. Trong khi các phương pháp thông thường hoạt động thông qua con đường carbon monoxide (CO), phương pháp này tiết lộ một con đường phản ứng mới trong đó liên kết carbon-carbon (C–C) được hình thành trong quá trình chuyển đổi một nhóm trung gian từ format (HCOO⁻) thành formaldehyd (HCHO). Cơ chế này làm tăng đáng kể giá trị thương mại của sản phẩm vì nó trực tiếp tạo ra chất lỏng, dễ dàng hơn trong việc lưu trữ và vận chuyển.

Công nghệ mới đánh dấu một bước đột phá trong kỷ nguyên trung hòa carbon và được kỳ vọng sẽ mở ra những con đường mới cho công nghệ thu giữ và sử dụng carbon bằng điện hóa tiết kiệm chi phí, bằng cách chọn lọc chuyển đổi CO₂ (chỉ có một nguyên tử carbon) thành allyl alcohol, một hợp chất đa carbon giá trị gia tăng cao (C3+) với ba hoặc nhiều nguyên tử carbon hơn.

Giáo sư Tiến sĩ Lee nhấn mạnh: "Công nghệ chuyển đổi CO₂ này có thể mở ra hướng kinh doanh mới cho các ngành công nghiệp than đá, hóa dầu và thép đang phải đối mặt với áp lực phát thải ngày càng tăng. Chúng tôi coi nó như một bước đệm quan trọng hướng tới kỷ nguyên trung hòa carbon thông qua khoa học và công nghệ có khả năng mở rộng".

Bằng cách chuyển trọng tâm vượt ra ngoài các mục tiêu C1 và C2 thông thường, nghiên cứu mở rộng phạm vi tận dụng giá trị CO₂ hướng tới các phân tử phức tạp hơn, có giá trị cao hơn. Việc tích hợp sâu hơn vào các hệ thống điện cực-màng không khe hở (zero-gap membrane-electrode assembly) và dòng liên tục (continuous-flow) có thể cho phép sản xuất bền vững, mở rộng quy mô nhiên liệu lỏng và tiền chất hóa học từ CO₂ - giảm đáng kể sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và mở đường cho một tương lai xanh hơn.