Đột phá: Quang hợp nhân tạo có thể biến CO2 thành nhựa với giá rẻ

Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Rutgers, New Jersey, Hoa Kỳ đã tạo ra một bước đột phá trong lĩnh vực tái tạo khí CO2 – một phương pháp quang hợp nhân tạo mới, có thể chuyển hóa khí CO2 thành nhựa và các vật liệu khác với hiệu suất cao và giá thành rẻ hơn rất nhiều so với trước đây.

Các thiết bị của công nghệ xử lý C02 mới (ảnh: ĐH Rutger)

Con người, cùng với sự phát triển công nghiệp và giao thông vận tải, đang tạo ra lượng khí thải carbon nhiều hơn bao giờ hết. Để giải quyết vấn nạn này, các nước đã bắt tay với nhau để cùng thống nhất giảm lượng khí thải. Chưa biết là họ có làm được điều này hay không, nhưng các nhà khoa học đã có một hướng đi khác, chính là thu thập CO2 có hại từ khí quyển rồi biến chúng thành các sản phẩm có ích như nhiên liệu, các loại nệm cứng, hay sợi carbon hiệu suất cao v.v.

Thực vật, dưới bàn tay kỳ diệu của Tạo Hóa, chỉ cần một năng lượng rất nhỏ từ Mặt Trời để chuyển hóa CO2 thành nhiên liệu – carbohydrate và chất béo. Chính sự màu nhiệm này đã tạo cảm hứng cho vô số các nghiên cứu về năng lượng sạch trong giới khoa học hiện nay.

Chúng ta đã chứng kiến không ít các thiết bị thử nghiệm mô phỏng lại quá trình quang hợp tự nhiên để tạo ra nhiên liệu mà nhân loại có thể sử dụng như methanol, metan và hydro. Tuy nhiên trên thực tế việc tái tạo lại quá trình quang hợp trong môi trường thiết bị do con người tạo ra vẫn chưa đạt được như mong đợi.

Công nghệ quang hợp nhân tạo thường phải gắn liền với một xúc tác đặc biết để kích hoạt và tăng tốc các phản ứng hóa học. Hiệu suất và giá thành của xúc tác chính là một trong những trở ngại lớn nhất cho tham vọng thương mại hóa công nghệ này.

Tuy nhiên, đây lại chính là điểm mà các nhà nghiên cứu tại Đại học Rutgers đang đạt được những bước tiến đáng kể. Họ đã khám phá ra một nguồn xúc tác dồi dào (và vì vậy rất rẻ), đồng thời kết hợp được yêu cầu tiết kiệm năng lượng của quá trình quang hợp tự nhiên với độ bền cần thiết để chịu được các phản ứng hóa học khắc nghiệt.

“Nhờ áp dụng các nguyên lý của tự nhiên đối với các phản ứng hóa học trong công nghiệp mà chúng tôi khám phá ra loại xúc tác này,” đồng tác giả Anders Laursen giải thích với New Atlas. “Phương pháp lấy cảm hứng từ sinh học này vừa tiêu thụ ít năng lượng như các hệ thống tự nhiên, vừa có độ bền hóa học của các xúc tác không đồng thể. Thông qua phương pháp này chúng tôi đã xác định được họ niken phốtphit là một ứng viên tuyệt hảo cho phản ứng khử CO2. Và rồi chúng tôi đã thiết kế bình phản ứng và các công cụ phân tích mới để xác nhận giả thuyết của mình.”

5 loại xúc tác mới của nhóm nghiên cứu được tạo ra từ niken và phốtpho có giá thành rẻ và rất dồi dào. Nhờ chúng, các nhà khoa học có thể tạo ra các chuỗi nguyên tử carbon có độ dài khác nhau với hiệu suất hơn 99%. Các nguyên tử này sau đó có thể hình thành các phân tử hay các chuỗi polyme dài – có thể dùng để sản xuất nhựa và hoàn toàn có tiềm năng thay thế cho nhựa từ dầu mỏ.

“Đột phá này của chúng tôi có thể dẫn tới việc chuyển hóa CO2 thành các sản phẩm có giá trị và các nguyên liệu thô trong các ngành công nghiệp hóa học và dược phẩm,” trưởng nhóm tác giả Charles Dismukes cho biết.

                              (ảnh: ĐH Rutger)

Theo các nhà khoa học, rất khó để so sánh trực tiếp chi phí giữa phương pháp mới với phương pháp sử dụng dầu mỏ để sản xuất nhựa hiện nay, vì các số liệu này là “một bí mật được bảo vệ gắt gao.” Tuy vậy, họ có thể so sánh về hiệu suất, thứ có thể đánh giá bằng “sự quá điện thế.”

“Mức quá điện thế của phương pháp mới là rất thấp, đồng nghĩa với việc quá trình có hiệu suất sử dụng năng lượng cao, nó không cần dùng nhiều năng lượng,” Laursen cho biết. “Các xúc tác điện hóa thông thường cần khoảng 0,7V quá thế trong khi phương pháp mới giảm sự hao hụt đi 70 lần. Năng lượng mất đi thực chất là lượng điện mà phản ứng cần sử dụng. Như vậy, ít năng lượng hơn đồng nghĩa với việc giảm lượng điện sử dụng và giảm luôn chi phí trên một kilogram sản phẩm tương ứng.”

Với bằng sáng chế trong tay, nhóm nghiên cứu đang làm việc theo hướng thương mại hóa công nghệ này. Họ sẽ cần phải hiểu sâu hơn về các phản ứng hóa học này để điều chỉnh chúng và tạo ra các sản phẩm khác nhau, ví như diol (các hợp chất hữu cơ có chứa hai nhóm -OH) và các hydrocacbon. Cùng với đó là bài toán làm thế nào để đưa công nghệ này từ phòng thí nghiệm lên quy mô sản xuất công nghiệp.

Nghiên cứu này được đăng tải trên tạp chí Khoa học Năng lượng và Môi trường.

Nguồn: Trường Đại học Rutges, New Jersey, Hoa Kỳ
Theo New Atlas
Quốc Hùng tổng hợp