Chất mới giúp thu giữ gấp đôi lượng carbon

Tìm cách thu giữ, lưu trữ và sử dụng carbon dioxide (CO₂) vẫn là một vấn đề cấp bách.

Khi nhiệt độ toàn cầu tiếp tục tăng, việc ngăn chặn CO₂ xâm nhập vào khí quyển có thể giúp hạn chế tình trạng nóng lên ở những nơi vẫn cần đến nhiên liệu gốc carbon.

Tạo ra sự thay đổi

Thế giới đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc tạo ra các công nghệ thu hồi carbon thiết thực, giá cả phải chăng. Các chất lỏng thu giữ carbon, được gọi là dung môi khi chúng hiện diện dồi dào, có thể hấp thụ những phân tử CO₂ một cách hiệu quả từ nhà máy điện đốt than, nhà máy giấy và nguồn phát thải khác. Tuy nhiên, tất cả những chất này đều hoạt động thông qua cùng một cơ chế hóa học cơ bản, hoặc các nhà nghiên cứu đã giả định như vậy.

Nhóm nghiên cứu đã thiết lập dung môi thu hồi carbon.

Trong công trình mới đăng trên tạp chí Nature Chemistry, các nhà khoa học đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng, một dung môi quen thuộc thậm chí còn mang lại hiệu quả nhiều hứa hẹn hơn dự đoán ban đầu.

Các chi tiết mới về cấu trúc cơ bản của dung môi cho thấy, chất lỏng có thể chứa lượng CO₂ gấp đôi so với suy nghĩ trước đây. Cấu trúc mới được tiết lộ cũng có thể nắm giữ chìa khóa để tạo ra một bộ vật liệu gốc carbon, có thể giúp loại bỏ nhiều CO₂ hơn nữa ra khỏi khí quyển.

Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) thuộc Cục Năng lượng Mỹ đã phát triển dung môi này vài năm trước. Họ đã nghiên cứu nó trong nhiều tình huống khác nhau. Nhóm nghiên cứu đã làm việc để giảm chi phí sử dụng dung môi và nâng cao hiệu quả của nó. Năm ngoái, nhóm đã tiết lộ hệ thống thu hồi carbon ít tốn kém nhất cho đến nay, trong quá trình nghiên cứu này, nhóm đã nhận thấy điều kỳ lạ.

Ông David Heldebrant - nhà hóa học tại PNNL, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: “Nhóm đang cố gắng thực hiện một kiểu tách khí áp suất cao khác và thấy rằng, dung dịch trở nên đặc hơn đáng kể và có một thứ xuất hiện trong quang phổ của chúng tôi.

Điều đó cho thấy, một thứ gì đó mới đã hình thành, hoàn toàn gây bất ngờ và chúng tôi biết mình phải đi đến tận cùng của vấn đề”. Sau đó, ông Heldebrant đã liên hệ với các cộng tác viên của mình tại Trường Đại học Claude Bernard Lyon 1 (Pháp) và Đại học Texas ở El Paso (Mỹ) để giúp gỡ rối những thay đổi phân tử đằng sau kết quả.

Giáo sư Jose Leobardo Bañuelos - Trường Đại học Texas ở El Paso cho biết: “Công việc này thực sự là một nỗ lực hợp tác và liên ngành. Những câu hỏi cần giải đáp không chỉ đòi hỏi một loại kiến thức chuyên môn.

Chúng tôi đã xem xét cấu trúc tổng thể của dung môi khi tiếp xúc với CO₂ và nhận thấy, về cơ bản, có nhiều trật tự hơn mong đợi”. Có vẻ như các phân tử đang tập hợp lại khi lẽ ra chúng phải được ghép đôi. Song, câu hỏi được đặt ra là: Những cấu trúc mới, có trật tự ngăn nắp mang ý nghĩa gì?

Khi nhóm nghiên cứu có cái nhìn mới về hệ thống dung môi - CO₂ bằng các công cụ hóa học phân tích, họ đã phát hiện ra các cụm phân tử dung môi tự lắp ráp. Lúc đầu, các nhà nghiên cứu cố gắng khớp dữ liệu vào một mô hình chỉ sử dụng hai phân tử dung môi. Bất chấp kỳ vọng ban đầu của nhóm nghiên cứu, dữ liệu vẫn không phù hợp.

Nhưng với việc sử dụng mô hình với bốn phân tử dung môi, các nhà nghiên cứu nhận thấy kết quả đã đúng. Cụm bốn thành phần thực ra là dạng dung môi mà nhóm nghiên cứu đã thấy. Cấu trúc linh hoạt có thể trải qua một loạt thay đổi để chứa các phân tử CO₂ đi vào.

Cuối cùng, CO₂ đi đến lõi của cụm, nơi chứa một vị trí hoạt động có thể tương tự như các vị trí tồn tại bên trong enzyme. Trên thực tế, cấu trúc cụm tổng thể và các tương tác dường như giống với protein.

Vị trí liên kết là trung tâm của hoạt động hóa học mới được quan sát. Thông thường, các hệ thống thu hồi carbon hoạt động với một phân tử CO₂ duy nhất liên kết và có thể phản ứng để tạo thành thứ gì đó khác.

Việc mọi thứ bị hạn chế trong các phản ứng liên quan đến một CO₂ sẽ hạn chế các bước chuyển đổi carbon tiếp theo. Tuy nhiên, cụm phân tử mới này đã tạo ra một cái gì đó khác biệt.

Nhóm nghiên cứu phát hiện sự hình thành một loài mới bao gồm hai phân tử CO₂ khác nhau. Các cụm kết hợp CO₂ theo từng bước, đầu tiên thu giữ và kích hoạt một phân tử, sau đó là phân tử thứ hai.

Một vấn đề với lượng carbon thu được là phải làm gì với nó.

Cấp bách trong triển khai hệ thống thu giữ

Khi cả hai phân tử CO₂ nằm trong cụm, chúng có thể phản ứng với nhau. Từ đó, tạo ra các phân tử dựa trên carbon khác nhau, có thể mở rộng khả năng sử dụng CO₂ thu được.

Ông Heldebrant chia sẻ: “Những gì chúng tôi thực hiện đang thay đổi một biến số chính trong quá trình này. Trước đây, chúng tôi đã tự thu giữ từng CO₂. Việc liên kết hai CO₂ lại với nhau có thể giúp chúng tôi tăng gấp đôi hiệu quả dung lượng lưu trữ của các hệ thống thu giữ”.

Các phân tử mới được kết nối có những đặc tính rất khác so với CO₂. Điều này làm thay đổi tính chất hóa học cần thiết để tách carbon thu được khỏi dung môi. Những phân tử gốc CO₂ này lớn hơn và là bước đầu tiên hướng tới việc tạo ra các polyme giàu CO₂.

Một vấn đề muôn thuở với lượng carbon thu được là phải làm gì với nó. Mặc dù, việc lưu trữ CO₂ trong thời gian dài là một lựa chọn, nhưng nó đặt ra những thách thức về hậu cần và có thể làm tăng thêm chi phí cho quy trình thu giữ vốn đã tốn kém.

Tìm cách chuyển đổi CO₂ thu được thành các sản phẩm có giá trị kinh tế có thể giúp bù đắp chi phí thu giữ. Đồng thời, tạo ra một bước tiến tới chu trình carbon khép kín.

Giáo sư Julien Leclaire tại Trường Đại học Claude Bernard Lyon 1, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: “Có sự cấp bách lớn trong việc triển khai các hệ thống thu giữ carbon. Không phải lúc nào chúng tôi cũng khám phá chi tiết ở quy mô phân tử của các quá trình này do tính phức tạp của chúng. Song, đôi khi, chúng tôi có thể tìm thấy những hiểu biết sâu sắc kết nối hành vi phân tử và quy mô lớn”.

• Vật liệu mới thu giữ CO2
• Startup biến khí thải CO2 thành kim cương
• Nhà máy thu giữ CO2 trực tiếp lớn nhất thế giới hoạt động