Vật liệu mới có khả năng thu giữ khí cacbonic có chọn lọc

Các nhà hóa học UCLA đã công bố một bước tiến lớn nhằm làm giảm sự phát thải khí cacbonic giữ nhiệt ngày 15 tháng 2 trên tạp chí Science.

Các nhà khoa học đã chứng minh họ đã thành công trong việc cô lập và giữ lại khí cacbonic - chất khí góp phần gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu, sự dâng cao của mực nước biển và gia tăng nồng độ axit ở các đại dương. Phát hiện dẫn tới việc các nhà máy phát điện có thể thu giữ khí cacbonic một cách hiệu quả mà không dùng đến các vật liệu độc hại.

“Thách thức về kỹ thuật trong việc chọn lựa loại bỏ khí cacbonic đã được vượt qua” Omar M. Yaghi, giáo sư của UCLA Christopher S. Foote và đồng tác giả của bài báo trên tờ Science cho biết. “Bây giờ chúng ta đã có những cấu trúc có thể đáp ứng một cách chính xác việc loại bỏ khí cacbonic và giữ như một bể chứa. Không có cacbonic thoát ra. Không có gì thoát ra – trừ khi bạn muốn như vậy. Chúng tôi tin rằng đây là một bước ngoặt trong việc loại bỏ khí cacbonic trước khi chúng hòa vào bầu khí quyển”.

Khí cacbonic bị thu giữ nhờ một loại vật liệu mới được thiết kế bởi Yaghi và các đồng nghiệp gọi là cơ cấu zeolitic imidazolate, hay ZIF. Đây là những kết cấu hóa học tinh vi và có những lỗ li ti hình tổ ong, với một bề mặt lớn, có thể nung ở nhiệt độ cao mà không bị phân hủy và đun trong nước hoặc các dung môi hữu cơ trong một tuần mà không hề bị biến đổi.

Rahul Banerjee - nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ về hóa học thuộc UCLA và Anh Phan - sinh viên tốt nghiệp hóa học cũng thuộc UCLA, cả hai cùng làm việc tại phòng thí nghiệm của Yaghi, đã tổng hợp được 25 cấu trúc tinh thể ZIF và chứng minh rằng 3 trong số chúng có tính chọn lọc cao trong việc thu giữ khí cacbonic (ZIF-68, ZIF-69, ZIF-70).

ZIF. (Ảnh: UCLA)

“Tính năng chọn lọc của ZIFs đối với carbon dioxide không vật liệu nào khác có thể sánh kịp”, Yaghi cho biết (ông là người chỉ đạo của trung tâm UCLA về hóa học chuyên sâu và cũng là thành viên của học viện công nghệ Nano California tại UCLA). “Rahul và Anh đã thành công trong việc tạo nên vật liệu ZIF mới khiến tôi, vì mục đích báo cáo những kết quả đạt được, đã phải yêu cầu họ tạm thời dừng công việc”.

Phần trong của ZIF có thể chứa các phân tử khí. Những cái nắp hoạt động tương đương như một cánh cửa hóa học cho phép một số phân tử nhất định – trong trường hợp này là khí cacbonic – đi qua và vào bể chứa trong khi cùng lúc ngăn chặn các phân tử lớn hơn hoặc các phân tử có hình dạng khác.

“Chúng ta có thể quét và chọn lựa một loại phân tử nhất định mà chúng ta muốn giữ lại” Phan cho biết. “Cái hay của hóa học là chúng ta được tự do chọn lựa loại cửa nào muốn và điều khiển cái gì đi qua cánh cửa đó.”

Yaghi nói: “Thu giữ được khí cacbonic sẽ tạo ra năng lượng sạch hơn. ZIF trong một ống khói sẽ giữ lại khí cacbonic trong các lỗ li ti trước khi chuyển nó đến nơi lưu giữ”.

Ở vật liệu ZIF 68, 29 và 70, Banerjee và Phan đã làm trống các lỗ, tạo nên một cấu trúc mở. Sau đó đã đưa vật liệu vào dòng khí ga – ví dụ như khí cacbonic (CO₂)và ôxit cacbon (CO) cùng với một dòng khí cacbonic và nitơ – chỉ có khí CO₂ được giữ lại. Họ đang thí nghiệm các vật liệu ZIF khác cho rất nhiều ứng dụng.

Khí cacbonic đang gây tổn hại đến sự sống của những rặng san hô và sinh vật biển. Yaghi nhấn mạnh rằng hậu quả mà loại khí này gây ra sẽ không thể hồi phục được, ít nhất là trong nhiều thế kỉ tới.

Hiện tại, quá trình loại bỏ sự phát thải khí cacbonic tại các trạm phát điện bao gồm việc sử dụng các vật liệu độc hại và cần 20% đến 30% năng lượng của trạm, Yaghi cho biết. Ngược lại, ZIF có thể loại bỏ khí cacbonic khỏi các loại khí ga và chứa nhiều hơn 5 lần so với vật liệu cacbon xốp hiện được miêu tả như những công trình nghệ thuật.

“Với mỗi lít ZIF, bạn có thể giữ tới 83 lít khí cacbonic” Banerjee giải thích.

Từ ZIF, Yaghi nhấn mạnh, được sử dụng trong kinh thánh để miêu tả một vùng đất của sự tráng lệ, kì vĩ. Nó cũng có nghĩa là duyên dáng và rạng rỡ. ZIF rất phù hợp cho loại vật liệu mới này vì số thành viên khá đông đảo và có cấu trúc đẹp.

Trên nguyên tắc cơ bản, việc phát minh ra ZIF cũng đã đề ra hai thách thức lớn đối với khoa học zeolite. Zeolite rất vững chắc, là các khoáng xốp được làm từ nhôm, silicon và ôxi; chúng được sử dụng trong xăng tinh chế, chất tẩy và các sản phẩm khác. Nhóm cộng tác của Yaghi đã thành công trong việc thay thế nhôm và silicon bằng các kim loại như kẽm và côban, cùng với cầu ôxi và nhóm imiđo để mang lại vật liệu ZIF mà cấu trúc của nó có thể thiết kế theo tính năng.

Banerjee và Phan đã tự động hóa quá trình tổng hợp. Thay vì việc trộn các chất hóa học mỗi lần thực hiện phản ứng và thực hiện được một số phản ứng một ngày, họ đã làm được 200 phản ứng trong khoảng thời gian ít hơn 1 tiếng. Bộ đôi này đã cho thực hiên 9600 phản ứng siêu nhỏ và từ những phản ứng đó đã tìm ra 25 cấu trúc mới.

Banerjee cho biết: “Chúng tôi tiếp tục tạo ra các tinh thể ZIF mới mỗi ngày. Những phản ứng đó tạo ra những tinh thể trông đẹp như kim cương”.

Đồng tác giả của nghiên cứu là Bo Wang, sinh viên tốt nghiệp ngành hóa học tại UCLA làm việc tại phòng thí nghiệm của Yaghi; Carolyn Knobler và Hiroyasu Furukawa thuộc trung tâm hóa học chuyên sâu thuộc học viện công nghệ nano California tại UCLA và Michael O’Keeffe thuộc đại học bang Arizona, khoa hóa học và hóa sinh.

Trong những năm đầu thập kỉ 90, Yaghi đã phát minh một loại vật liệu mới gọi là cấu trúc kim loại-hữu cơ (MOFs), được miêu tả như tinh thể bọt biển và cũng có tác dụng làm sạch năng lượng. Yaghi có thể thay đổi thành phần của MOF gần như tùy ý. Giống như ZIF, MOF có những lỗ nhỏ - những lối vào có kích thước nano nơi mà Yaghi và các đồng nghiệp có thể chứa những khí ga khó vận chuyển và lưu giữ.

Phòng thí nghiệm của Yaghi đã tạo ra hàng trăm cấu trúc MOF, với sự đa dạng về tính năng và cấu trúc. Các phân tử có thể ra vào những cấu trúc đó mà không hề bị cản trở.