Tìm ra chất xúc tác mới có thể chuyển CO2 thành năng lượng sạch

Chất xúc tác mới là một phần của hệ thống quang hợp nhân tạo. Hệ thống này hoạt động như lá cây trong tự nhiên và chuyển khí CO₂ thành năng lượng Mặt Trời hay năng lượng gió.

Các nhà nghiên cứu tại U of T Engineering vừa tiến một bước gần hơn đến hệ thống quang hợp nhân tạo khi tạo ra một chất xúc tác mới. Hệ thống này sẽ thu giữ lượng khí thải CO₂ và lưu trữ, sau đó chuyển đổi thành các dạng năng lượng sạch như năng lượng Mặt Trời hay năng lượng gió.

Sáng chế này là một bước tiến dài trong công cuộc chống lại sự biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường đang diễn ra với tốc độ chóng mặt trên thế giới. Không chỉ giúp giảm thiểu khí thải, mà còn biến đổi thành năng lượng sạch để tái sử dụng.

Phil De Luna là một trong những tác giả của nghiên cứu này về một chất xúc tác hiệu suất cao trong việc tạo ra hệ thống quang hợp nhân tạo trong tương lai. (Ảnh: Tyler Irving).

“Giữ lại carbon khí thải đã là một vấn đề khá khó khăn. Nhưng có thể lưu giữ và biến đổi chúng thành năng lượng dự trữ như pin thì sẽ là một công nghệ đầy hứa hẹn và thách thức. Năng lượng này sẽ lớn đến nỗi có thể dùng để sưởi ấm cả mùa đông hoặc tiếp nhiên liệu cho máy bay vượt Đại Tây Dương”, nhà nghiên cứu Phil De Luna, tác giả của bài nghiên cứu công bố trên Nature Chemistry cho biết.

De Luna và đồng tác giả Xueli Zheng và Bo Zhang cùng thực hiện nghiên cứu này dưới sự giám sát của giáo sư Ted Sargent, với mục đích ban đầu là thiết kế một công nghệ lấy cảm hứng từ tự nhiên.

Hệ thống quang hợp trong tương lai hoạt động như quang học trong tự nhiên của lá cây thực vật hay các sinh vật có khả năng quang hợp. Chúng sử dụng ánh sáng Mặt Trời để chuyển đổi CO2 và nước thành các phân tử mà con người có thể sử dụng để làm nhiên liệu.

Cũng giống trong cơ thể thực vật, hệ thống này sẽ bao gồm hai phản ứng hóa học liên quan, là tách H₂O thành proton và khí oxy, và phản ứng còn lại chuyển CO₂ thành carbon monoxide hay CO. (Chất CO có thể biến thành nhiên liệu hydrocarbon qua một quá trình công nghiệp được gọi là tổng hợp Fischer-Tropsch.)

“Trong những năm qua, nhóm của chúng tôi đã phát triển chất xúc tác rất hiệu quả cho cả hai phản ứng này. Nhưng phản ứng thứ hai chỉ xảy ra trong môi trường trung tính, còn phản ứng thứ nhất thì đòi hỏi nồng độ pH cao để xảy ra một cách năng suất nhất”, ông Zhang, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết.

Điều này nghĩa là, nếu cả hai phản ứng cùng kết hợp diễn ra, thì quá trình tổng hợp sẽ không đạt hiệu quả cao nhất do năng lượng bị mất đi khi các hạt điện tích di chuyển qua lại giữa hai phản ứng. Cần một chất có thể đảm bảo điều kiện tốt nhất cho cả hai phản ứng.

Nhà nghiên cứu Xueli Zheng (trái) và Bo Zhang đang tiến hành thử nghiệm chất xúc tác mới cho hệ thống quang hợp nhân tạo. (Ảnh: Marit Mitchell).

Nhóm nghiên cứu giờ đây đã vượt qua được trở ngại này, họ phát triển một chất xúc tác mới cho phản ứng đầu tiên - nước phân tách thành proton và khí oxy. Không giống như chất xúc tác trước đó, chất này hoạt động ở môi trường pH trung tính và với điều kiện này, nó sẽ có hiệu suất tốt hơn so với chất xúc tác trước kia.

Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã ghi lại hiệu suất của quá trình chuyển đổi đạt mức 64%. Theo De Luna, đây là giá trị cao nhất từng đạt được cho một hệ thống như vậy. Các con số trước đó chỉ đạt 54% là cao nhất.

Chất xúc tác mới này được tạo thành từ niken, sắt, coban và phốt pho. Chúng đều là những chất hóa học rẻ tiền và an toàn khi sử dụng. Có thể tổng hợp thành chất xúc tác ở điều kiện nhiệt độ phòng với chi phí thấp. Nhóm nghiên cứu ghi nhận đã tạo ra nó một cách ổn định trong tổng cộng 100 giờ.

Với chất xúc tác mới được cải tiến này, phòng thí nghiệm Sargent hiện đã bắt tay vào để xây dựng hệ thống quang hợp nhân tạo ở quy mô phòng thí nghiệm. Mục đích sau cùng sẽ là giữ lại CO₂ được sinh ra từ các nhà máy khí đốt và sẽ chuyển đổi chúng thành nhiên liệu tái sử dụng được.

Nhóm nghiên cứu và sáng chế của họ đã chiến thắng ở vòng bán kết của cuộc thi NRG COSIA Carbon XPRIZE, giải thưởng trị giá 20 triệu USD sẽ được trao để họ tiếp tục phát triển công nghệ đột phá này và sẽ chuyển hóa được những chất thải độc hại thành năng lượng sạch trong tương lai.

“Nhìn thấy sự tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ này khiến tôi rất vui. Tại mỗi buổi hội thảo được tổ chức định kỳ và chúng tôi trình bày những bước tiến mới trong công nghệ này, mọi người cảm thấy nó như một thành tựu thực sự cho tương lai”, De Luna chia sẻ.