Quy trình chuyển đổi CO₂ được nghiên cứu chi tiết trong khuôn khổ nghiên cứu phòng thí nghiệm với các hạt kim cương nano đóng vai trò chất xúc tác quang thân thiện môi trường.

Nhóm nhà nghiên cứu từ Viện Fraunhofer về Microengineering và Microsystems IMM Đức hiện đang phối hợp với các đối tác, phát triển phản ứng này thành một quy trình liên tục để có thể ứng dụng vào trong ngành công nghiệp.

Trước những tổn thất do CO 2 gây ra cho khí hậu, các chính phủ và doanh nghiệp đang nỗ lực nhằm hạn chế lượng khí thải vào môi trường. Nhưng trong những ngành công nghiệp không thể tránh khỏi, CO2 có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô để sản xuất các khối xây dựng C1 (một nguyên tử carbon được thêm vào một phân tử hữu cơ, tạo thành Liên kết C–C) có liên quan đến công nghiệp như axit formic hoặc metanol, chứa một nguyên tử cacbon.

Một phương pháp khả thi với sử dụng kim cương nano: CO2 được chuyển hóa thành axit formic bằng cách sử dụng kim cương nano làm chất xúc tác, chiếu sáng bằng ánh sáng UV-C bước sóng ngắn trong môi trường nước. Phương pháp độc đáo này hiện đang được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của GS Anke Krüger tại Đại học Würzburg (GS Krüger hiện đang làm việc tại Đại học Stuttgart).

Sử dụng kim cương làm chất xúc tác được cho là có giá thành cao, nhưng viên kim cương sử dụng trong quá trình này không phải là kim cương cấp trang sức đắt tiền mà là một viên kim cương kích nổ (kim cương nano siêu phân tán) sản xuất ở quy mô công nghiệp và tương đối rẻ tiền để làm chất xúc tác. Vật liệu chủ yếu là carbon, chất xúc tác "xanh" thân thiện với môi trường.

Các nhà khoa học thuộc Viện Nghiên cứu vi kỹ thuật và vi hệ thống Fraunhofer (Fraunhofer IMM), phối hợp với GS Krüger và TS B. Sahlmann thuộc công ty Giải pháp quang hóa Sahlmann (Sahlmann Photochemical Solutions GmbH) đang nghiên cứu đưa những phản ứng này tiến một bước gần hơn đến ứng dụng trong công nghiệp trong khuôn khổ dự án CarbonCat. TS Thomas Rehm, một trong những nhà khoa học tại Fraunhofer IMM cho biết: "Cho đến nay, các thí nghiệm đã được thực hiện trong lò phản ứng theo mẻ, sử dụng bình khuấy. Phương pháp này có một số nhược điểm nhất định. Thứ nhất, sự tiếp xúc giữa pha khí và chất lỏng với chất xúc tác có hiệu quả không cao; thứ hai, chất xúc tác (các hạt nano trôi nổi) cần phải được tách ra khỏi dung dịch sau phản ứng."

Chất xúc tác kim cương diện tích lớn

Trên cơ sở nhận định này, nhóm nghiên cứu đưa ra giải pháp, áp dụng chất xúc tác trên các khu vực rộng lớn như trên các tấm phản ứng có kích thước khoảng 5 x 9 cm. Rehm giải thích: “Quy trình phản ứng mà chúng tôi sử dụng cho đến nay chỉ là cho đặt tất cả các thành phần vào bình, khuấy lên và đợi cho đến khi phản ứng kết thúc, nhưng điều chúng tôi muốn đạt được là phản ứng hoạt động liên tục”.

Để đạt được mục tiêu này, các nhà khoa học phát triển một lò phản ứng vi mô với một tấm phản ứng đứng thẳng đứng, có các kênh vi mô phủ chất xúc tác kim cương. Trên đỉnh của tấm là khe hở để nước liên tục được bơm vào. Chất lỏng sau đó chảy xuống tấm phản ứng. Lực mao dẫn hình thành màng chất lỏng có độ dày từ 10 đến 50 micromet, lớp màng này liên tục bao phủ các vi kênh. CO2 được dẫn qua tấm phản ứng từ phía dưới theo cấu hình ngược dòng.

Một tấm phản ứng phủ hạt nano kim cương với các vi kênh của lò phản ứng dòng chảy vận hành liên tục, chuyển đổi CO2 thành các khối xây dựng C1. Ảnh: Fraunhofer IMM

"Bằng cách này, nhóm nghiên cứu có thể đưa trực tiếp một lượng carbon dioxide lớn hơn nhiều vào màng chất lỏng xúc tác với một thể tích dung dịch nhỏ hơn. Phương pháp này tăng cường sự tiếp xúc giữa khí-lỏng-rắn, khiến hiệu quả phản ứng chuyển đổi CO2 cao hơn và thu được lượng lớn hơn axit formic," ông Rehm nói.

 

Một tấm phản ứng phủ kim cương với các vi kênh là yếu tố chính cho lò phản ứng dòng chảy vận hành liên tục, chuyển đổi CO2 thành các khối xây dựng C1. Ảnh: Fraunhofer IMM

Ánh sáng khả kiến ​​thay thế tia UV

Để giảm thiểu chi phí, các nhà nghiên cứu không sử dụng ánh sáng UV-C tiêu tốn nhiều năng lượng như trong trường hợp chất xúc tác kích thước nano và thay vào đó sử dụng ánh sáng khả kiến ​​rẻ hơn và dễ xử lý hơn. Để thực hiện điều này, các nhà khoa học sửa đổi bề mặt kim cương vì cần thu được ánh sáng khả kiến ​​nhưng vẫn kích hoạt phản ứng tương tự như kim cương kích thước nano.

 

Nhóm nghiên cứu sử dụng ánh sáng khả kiến để cung cấp năng lượng cho phản ứng chuyển đổi CO2

Các nhà nghiên cứu đã liên kết hóa học các phức hợp kim loại, là các hợp chất hữu cơ với tâm kim loại có khả năng hấp thu ánh sáng khả kiến với bề mặt hạt nano kim cương.

Nhưng các phức hợp này không bao phủ toàn bộ bề mặt, cho phép chất lỏng và carbon dioxide vẫn tiếp xúc với lớp kim cương. Khi ánh sáng khả kiến ​​chiếu vào lớp phủ biến tính, một số electron bị đẩy ra khỏi mạng tinh thể kim cương và chạy lên bề mặt lớp kim cương. Những electron này chuyển sang CO2, kết hợp với nước tạo thành axit formic.

TS Rehm giải thích: “Chúng tôi đã phát triển một máy bơm điện tử chạy bằng ánh sáng.” Để cung cấp nhiều điện tử hơn, nhóm nghiên cứu đặt thêm một điện áp thấp lên bề mặt kim cương.

Với những cải tiến này, các nhà khoa học đã đạt được những kết quả ban đầu quan trọng, đó là chất xúc tác diện tích lớn và khả năng sử dụng ánh sáng khả kiến. Nhóm nghiên cứu đang nỗ lực giải quyết một thách thức, thời gian tiếp xúc thấp: Lớp CO2 , nước và kim cương hiện chỉ có 10 đến 15 giây cho phản ứng, không đủ thời gian để tạo ra lượng axit formic cần thiết cho những ứng dụng công nghiệp. Các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm 2 giải pháp, sử dụng phức hợp kim loại hiệu quả hơn để tăng tốc độ phản ứng và điều chỉnh lò phản ứng để cho phép có được thời gian tiếp xúc lâu hơn.

Sự kết hợp của quang hóa học và xúc tác sinh học

Trong một dự án riêng biệt khác, một nhóm nhà khoa học từ từ 4 viện Fraunhofer khác nhau đang có những bước tiến xa hơn trong nghiên cứu sử dụng ánh sáng cho các phản ứng hóa học. Dự án kết hợp xúc tác quang hóa với xúc tác sinh học, các phản ứng trong đó các enzyme sinh học đóng vai trò là chất xúc tác, điều đó có thể cho phép kết hợp hai quy trình rất dễ dàng nhằm sản xuất các hóa chất tốt với độ tinh khiết đồng phân đối quang cao, theo yêu cầu trong các ứng dụng sản xuất dược phẩm hoặc hóa chất nông nghiệp.

Trong dự án này, nhóm nghiên cứu khai thác các phản ứng diễn ra trong điều kiện thác nước, được thực hiện bằng giải pháp kết hợp hai phương pháp xúc tác. Nhóm nghiên cứu hy vọng, kết hợp 2 loại chất xúc tác có thể sẽ đạt được hiệu quả cao hơn trong sản xuất các khối xây dựng C1, ứng dụng trong công nghiệp hóa chất bền vững.