Thiết bị điện phân đột phá chuyển đổi CO2 thành nhiên liệu propane tái tạo một cách hiệu quả
(scienceswitch.com)- Thiết bị điện phân chuyển đổi trực tiếp CO2 thành propane được chế tạo từ các vật liệu rẻ tiền và dễ kiếm, mở ra khả năng giảm khí nhà kính và sản xuất hóa chất tái tạo
- Hệ xúc tác độc quyền dựa trên kim loại giá rẻ và hợp chất hữu cơ tạo ra propane gồm 3 nguyên tử carbon
- Giải quyết bằng thí nghiệm và mô hình tính toán bài toán chuyển đổi CO2 thành phân tử đa carbon vốn cực kỳ khó khăn, đồng thời làm rõ hoạt tính phản ứng và độ chọn lọc của xúc tác
- Thiết kế dòng chảy liên tục (continuous-flow) vượt qua giới hạn của phương pháp mẻ truyền thống, hiện thực hóa sản xuất propane có thể mở rộng mà không bị gián đoạn
- Gắn với mục tiêu net zero vào năm 2050, đánh dấu bước tiến trong sản xuất hóa chất bền vững với sự hỗ trợ từ các cơ quan chính phủ và doanh nghiệp propane toàn cầu
Tổng quan về thiết bị điện phân
- Nhóm nghiên cứu tại Illinois Institute of Technology (IIT) đã phát triển một thiết bị điện phân chuyển đổi carbon dioxide thành propane một cách hiệu quả
- Thiết bị được chế tạo từ các vật liệu rẻ tiền và dễ tìm
- Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Nature Energy
- Công nghệ này mang lại tiềm năng đáng kể trong việc giảm phát thải khí nhà kính và sản xuất hóa chất tái tạo
- Mohammad Asadi, người dẫn dắt nghiên cứu, cho biết: “Sản xuất hóa chất tái tạo là điều rất quan trọng và là cách tốt nhất để khép kín vòng tuần hoàn carbon mà không phải từ bỏ những hóa chất chúng ta đang sử dụng hằng ngày”
Công nghệ cốt lõi — hệ xúc tác
- Hệ xúc tác độc quyền sử dụng kim loại giá rẻ và hợp chất hữu cơ là trọng tâm đổi mới của công nghệ này
- Propane là một nhiên liệu được sử dụng rộng rãi, gồm 3 nguyên tử carbon
- Cho đến nay, việc chuyển đổi CO2 thành các phân tử đa carbon phức tạp như propane vẫn là một thách thức cực kỳ lớn
- Bằng cách kết hợp thí nghiệm và mô hình tính toán, nhóm nghiên cứu đã làm rõ nguyên lý giúp xúc tác đạt được hoạt tính phản ứng cao và độ chọn lọc đối với propane
- Đồng thời xác định các yếu tố then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của xúc tác
Ưu điểm của thiết kế dòng chảy liên tục
- Thiết kế điện phân dòng chảy liên tục (continuous-flow) là một thế mạnh chính của công nghệ này
- Cho phép sản xuất propane có thể mở rộng mà không bị gián đoạn
- Vượt qua những hạn chế của các hệ thống chuyển đổi CO2 kiểu mẻ (batch) truyền thống
- Việc xây dựng nguyên mẫu ở quy mô phòng thí nghiệm cho thấy quyết tâm phát triển một giải pháp năng lượng bền vững có tính khả thi về mặt thương mại
Ý nghĩa và hợp tác
- Phù hợp với nỗ lực cấp quốc gia nhằm đạt mức phát thải khí nhà kính net zero vào năm 2050
- Nhận được đánh giá tích cực và hỗ trợ từ các cơ quan chính phủ như Advanced Research Projects Agency-Energy
- Hợp tác với doanh nghiệp propane toàn cầu SHV Energy để tối ưu hóa và thúc đẩy phổ biến công nghệ
- Keith Simons của SHV Energy nhận định: “Đây là một bước tiến đầy hứng khởi, mở ra một lộ trình e-fuel mới cho hoạt động sản xuất propane định hướng mục tiêu dành cho người dùng trên toàn thế giới của loại nhiên liệu thiết yếu này”
- Đây là một bước tiến quan trọng hướng tới sản xuất hóa chất bền vững và tái tạo, đồng thời có tiềm năng giảm phát thải carbon trong công nghiệp
1 bình luận
Các ý kiến trên Hacker News
Nội dung khoa học thực sự nằm ở phần này: “Hệ xúc tác hạt nano Mo3P được chức năng hóa bằng 1-ethyl-3-methylimidazolium, phủ ionomer trao đổi anion, tạo ra propane từ CO2 trong tế bào điện phân ở −0,8V so với điện cực hydro thuận nghịch, với mật độ dòng −395 mA cm−2 trong 100 giờ và hiệu suất Faraday 91%”
Các con số này tốt đến mức gần như khó tin, cho thấy tốc độ phản ứng, hiệu suất và khoảng thời gian có ý nghĩa về mặt thương mại
Chắc họ đã nộp bằng sáng chế rồi, nên tôi nghĩ sau 20 năm nữa, khi bằng sáng chế hết hạn, đây sẽ trở thành cách tiêu chuẩn để xử lý CO2 thu hồi được
Nếu công nghệ thật sự hiệu quả đến mức đó và chủ bằng sáng chế có chút hợp lý về mặt kinh tế, thì nhiều khả năng chính chủ bằng sáng chế sẽ là bên thúc đẩy nó thành tiêu chuẩn xử lý CO2 thu hồi được từ rất lâu trước khi bằng sáng chế hết hạn
Bằng sáng chế không phải là một hệ thống chỉ có ưu điểm, nhưng trong bức tranh này, đó là yếu tố quá lớn để bỏ qua
Tóm tắt nói về các phương pháp và thiết bị tạo khí hydro bằng cách đưa xúc tác tri-transition metal phosphide vào điện cực của tế bào chuyển đổi năng lượng điện xúc tác
Google Patents ghi là “M03P”, nhưng phần tóm tắt PDF ghi “MO3P”, còn trong nội dung thì rõ ràng là “Mo3P”
Ngay cả nếu bằng sáng chế này không đúng chính xác là công nghệ lần này, hình bổ sung 20 cho thấy xúc tác ImF-Mo3P được cải thiện so với “pristine Mo3P nanoparticles”, và các tác giả có nhiều bằng sáng chế liên quan, nên rất có khả năng công nghệ lần này cũng đã được nộp bằng sáng chế
Ngày nay, CO2 cô đặc gần như toàn bộ đến từ việc tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch; nếu biến nó thành propane rồi đốt trên tàu hoặc trong nồi hơi gia đình, thì đúng là dùng carbon hai lần, nhưng cuối cùng vẫn thải ra khí quyển
Điểm mấu chốt là hiệu suất tổng thể của thu giữ carbon trong không khí + sản xuất propane bằng xúc tác + đốt propane
Với các quy trình nhất thiết cần nhiệt đốt, hoặc trong trường hợp tính di động của propane là lợi thế lớn so với điện, phép tính có thể hợp lý, và nó cũng có thể trở thành phương tiện lưu trữ điện giữa các nguồn năng lượng tái tạo
Cuối cùng vẫn phụ thuộc vào các con số
Ví dụ, nếu xe của tôi đốt lượng LPG tương đương 100kWh, tôi muốn biết có thể thu hồi bao nhiêu kWh propane từ khí thải và cần đưa vào bao nhiêu kWh điện
Không rõ phương pháp này chỉ cần có một chút CO2 là được, hay cần môi trường CO2 cô đặc không có O2
Trích xuất CO2 0,4% trong không khí là tốn kém
Nếu định dùng CO2 cô đặc từ những nơi như lò cao, thì cũng có vấn đề là phải dùng ngay tại chỗ, chuyển bằng đường ống đường dài, hay đóng vào bình
Tôi cũng tò mò liệu có ứng dụng nào không thể thay bằng điện và bắt buộc phải đốt propane hay không
Ở châu Âu có các cơ sở lưu trữ khí tự nhiên khổng lồ để mua khí vào mùa hè và dùng sưởi ấm vào mùa đông
Chúng ta sẽ cần một phương tiện lưu trữ tương tự theo cách tái tạo được, và nếu có thể lấp đầy các kho đó bằng propane xanh thì sẽ rất tuyệt
Có thể giữ nguyên hạ tầng sưởi ấm hiện có và tận dụng rất tốt lượng điện mặt trời dư thừa vào mùa hè
Thành thật mà nói, nghe hay đến mức khó tin
Vận hành tàu viễn dương cỡ lớn trên toàn tuyến bằng pin gần như là bất khả thi, nhưng bằng LPG, thực chất là hỗn hợp propane/butane, thì có thể
Nếu phát triển thêm công nghệ hóa học hoặc công nghệ sinh học để liên kết thành hydrocarbon lớn hơn, nó cũng có thể được dùng làm tiền chất cho nhiên liệu tổng hợp hàng không
Hiện có quá nhiều thứ đang dùng propane, và gửi propane tái tạo đến đó dễ hơn rất nhiều so với cải tạo tất cả chúng sang điện
Nếu làm bằng điện thì cần kết nối 13k/220 = 60A, gấp 3 lần tiêu chuẩn dây điện gia dụng ở đây
Và đúng là mức đó quá thấp để dùng làm nguồn cho quy trình này
Điều từng được Stanford công bố tương tự vào năm 2019 giờ ra sao rồi? https://news.stanford.edu/2019/10/17/new-catalyst-helps-turn-carbon-dioxide-fuel/
Ruthenium và iridium được biết đến là các chất xúc tác ổn định, nhưng thuộc nhóm các nguyên tố hiếm nhất
Cấu trúc phía Stanford dùng Ru, còn bài báo lần này có vẻ chỉ đề xuất vật liệu dồi dào
Nếu có thể dùng ở quy mô lớn và độ ổn định cũng được chứng minh, đây sẽ là một bước tiến quan trọng
Tôi thắc mắc liệu cùng loại màng/chất xúc tác đó có thể dùng cho quy trình ngược lại không
Tức là oxy hóa propan bằng oxy trong không khí để thải ra nước và CO2, đồng thời tạo ra điện trực tiếp thay vì nhiệt, qua đó giảm tổn hao rất nhiều
Nếu khả thi, điều này có thể có ý nghĩa lớn đối với lưu trữ năng lượng
Mật độ năng lượng của propan là 49,6 MJ/kg, còn pin lithium-ion khoảng 0,8 MJ/kg, nên chênh lệch hơn 50 lần
Dùng tấm pin mặt trời để tạo điện, dùng hệ thống này để tạo propan hoặc điện, rồi đặt một bồn propan thương mại cỡ lớn để phòng những ngày nhiều mây hoặc vài tuần liền
Phản ứng trong máy điện phân nhìn chung là thuận nghịch
Nếu họ có thể thực hiện chiều ngược lại, tức nước+propan → CO2+hydro+điện, với hiệu suất 91% như đã tuyên bố, thì có thể thay thế toàn bộ máy phát tuabin khí, vốn thường có hiệu suất tối đa khoảng 60%
Nếu chỉ giải quyết được bài toán chuyển phần năng lượng tái tạo gián đoạn thành propan để lưu trữ thì coi như đã thắng rồi
Hiệu suất thông thường khoảng bao nhiêu?
4 H2O + 3 CO2 <=> C3H8 + 5 O2saoBài báo khoa học thực tế: https://www.nature.com/articles/s41560-023-01314-8
Truyền thông địa phương ở khu vực này có lẽ sẽ đưa tin rầm rộ về chuyện này
Vì hơn 13% xe con xung quanh là xe nhiên liệu kép dùng cả xăng và LPG, thực tế phần lớn là propan, và cả xe hybrid cũng dùng LPG
Nhưng điều buồn cười là vẫn còn ít nơi cho phép những xe như vậy vào bãi đỗ ngầm
Nhìn vào giá điện thì có vẻ khó có khả năng rẻ hơn nhiên liệu hóa thạch, nên chắc sẽ không được áp dụng nhanh cho ô tô
Tham khảo: có một startup tên Terraform Industries chuyển đổi CO2 → methane
https://terraformindustries.com/
Tôi đã hỏi đồng sáng lập họ nghĩ gì về việc này
https://twitter.com/ccorcos/status/1694021803654693342
Tôi tò mò chúng khác nhau thế nào
Nghe nói là “hạt nano Mo3P được chức năng hóa bằng 1-ethyl-3-methylimidazolium phủ ionomer trao đổi anion”; không biết việc sản xuất quy mô lớn các vật liệu này khó và đắt đến mức nào?
Molypden không hiếm hay đắt như bạch kim, nên đó chắc chắn là một lợi thế