Các kỹ sư công tác tại Đại học Delaware vừa trình diễn thành công phương pháp loại bỏ 99% carbon dioxide trong không khí, thông qua một cỗ máy điện hóa tiên tiến sử dụng năng lượng từ hydro. Đột phá lớn có thể mang tới những công nghệ cell nhiên liệu thân thiện hơn với môi trường trong tương lai.
Nhóm nghiên cứu do giáo sư Yan Yushan dẫn dắt đã đăng tải phương pháp thu thập CO2 trên tạp chí Nature Energy.
Hình minh họa cách hoạt động của hệ thống lọc CO2 vận hành bằng hydro.
Công nghệ chắp cánh cho cell nhiên liệu
Các cell nhiên liệu hoạt động nhờ chuỗi phản ứng biến năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Chúng có thể trở thành nguồn sống cho những phương tiện sử dụng cùng lúc nhiều loại năng lượng, hay giúp giảm thiểu lượng khí thải của phương tiện.
Giáo sư Yan đã nhiều năm làm việc với cell năng lượng chứa màng trang đổi hydro (hydroxide exchange membrane - HEM), cố gắng cải thiện nó nhằm thay thế cell nhiên liệu sử dụng acid vẫn được dùng đại trà. Tuy nhiên, cell nhiên liệu HEM tồn tại một điểm trừ quá lớn: nó cực kỳ nhạy cảm trước CO2 trong không khí. Về cơ bản, pin HEM không thể “thở” bình thường khi không khí đậm đặc carbon dioxide.
Điểm yếu khiến cell nhiên liệu giảm tới 20% hiệu năng, khiến thứ nhiên liệu sạch chẳng còn tốt hơn chất đốt là bao. Suốt 15 năm qua, nhóm nghiên cứu của giáo sư Yan tìm cách khắc phục thiếu sót của công nghệ giàu tiềm năng.
Vài năm trước, nhóm nhận thấy lợi ích của điểm yếu tai hại: nó có thể trở thành giải pháp lọc carbon dioxide.
“Một khi tìm hiểu sâu về cơ chế, chúng tôi nhận ra cell năng lượng hấp thụ hầu hết số carbon dioxide tương tác với chúng, hơn nữa chúng tách biệt [carbon dioxide] một cách rất hiệu quả”, trợ lý giáo sư Brian Setzler, đồng tác giả nghiên cứu mới cho hay.
Công năng không thích hợp với một thiết bị lưu trữ năng lượng, nhưng nếu nhóm nghiên cứu có thể tận dụng triệt để khả năng tự lọc carbon dioxide, thiết bị có thể trở thành một cỗ máy phân tách CO2 hiệu quả.
Sẽ ra sao nếu xe ô tô được lắp một hệ thống lọc CO2 hiệu quả tới 99%?
“Hóa ra cách tiếp cận này rất hiệu quả. Chúng tôi có thể loại bỏ 99% số carbon dioxide có trong không khí chỉ trong một lần lọc, nếu như thiết kế đúng mẫu và tinh chỉnh đúng chức năng”, giáo sư Yan nói.
Nhóm tìm được cách cấp năng lượng cho hệ thống điện hóa bằng cách vào trong màng phân cách giữa hai bộ phận cell năng lượng. Phương pháp này sẽ khiến pin chập bên trong.
“Quả thực ẩn chứa nhiều nguy cơ, tuy nhiên chúng tôi đã có thể kiểm soát cell nhiên liệu bị đoản mạch bằng hydro. Và nhờ sử dụng màng ngăn cách bị chập sẵn, chúng tôi đã có thể loại bỏ được những bộ phận quá khổ, đơn cử như tấm lưỡng cực, thiết bị nhận dòng điện hay dây dợ thường thấy trong các tổ hợp cell nhiên liệu”, nhà nghiên cứu Shi Lin nhận định.
Hydro vẫn được gọi là thứ nhiên liệu sạch của tương lai.
Nhóm các nhà khoa học đã có trong tay thiết bị điện hóa có vẻ ngoài giống một màng lọc thông thường vốn dùng trong phân tách khí, nhưng với khả năng liên tục hấp thu lượng carbon dioxide dù là nhỏ nhất, thiết bị sở hữu tiềm năng ứng dụng khổng lồ.
Kết quả nghiên cứu cho thấy một cell điện hóa kích cỡ 5x5cm có thể loại bỏ tới 99% lượng carbon dioxide trong một luồng không khí chảy liên tục với tốc độ 2 lít/phút. Trong các thí nghiệm trước, một thiết bị lớn tương đương lon nước ngọt có thể lọc 10 lít không khí/phút, loại tới 98% lượng CO2.
Theo lời trợ lý giáo sư Setzler, khi tăng quy mô để lắp lên ô tô, thiết bị sẽ mang kích cỡ tương đương một can 5 lít. Tuy nhiên ứng dụng của nó sẽ không dừng tại đó. Thiết bị sẽ đem đến những công nghệ lọc carbon dioxide nhẹ hơn, hiệu quả hơn để lắp cho những khoang kín như tàu ngầm hay tàu du hành không gian, những phương tiện yêu cầu hệ thống lọc không khí tối tân bậc nhất. Dần dà, nó sẽ tìm được chỗ đứng trong máy bay dân dụng, nhà cao tầng hay nhiều những công trình khác.
“Chúng tôi đã có vài ý tưởng về ứng dụng lâu dài, có thể thực sự giúp chúng ta tới được tương lai đó”, nhà khoa học Setzler nhận định. Giáo sư Yan Yushan đã thành lập công ty Versogen phục vụ mục đích nghiên cứu nhiên liệu hydro sạch, và sẽ mời Shi Lin về đầu quân khi nhà nghiên cứu này bảo vệ thành công luận văn tiến sĩ.