Khám phá một phương pháp thu giữ carbon từ không khí rẻ tiền và hiệu quả

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge đã thử điều chỉnh kỹ thuật sạc pin để cung cấp năng lượng cho than hoạt tính, loại than thường được sử dụng trong các bộ lọc nước gia đình. Họ phát hiện ra rằng khi thực hiện sạc miếng xốp (hay miếng bọt biển) làm từ than bằng các ion hình thành liên kết thuận nghịch với carbon dioxide hay CO₂, vật liệu tích điện có thể thu giữ thành công CO₂ trực tiếp từ không khí.

So sánh các kỹ thuật thu giữ carbon dioxide

Kỹ thuật dùng miếng xốp bằng than tích điện để thu giữ CO₂ cũng tiết kiệm năng lượng hơn so với các phương pháp thu giữ carbon hiện tại vì nó yêu cầu nhiệt độ thấp hơn nhiều. Kết quả được báo cáo trên tạp chí Nature.

Tiến sĩ Alexander Forse từ Khoa Hóa học Yusuf Hamied, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: “Thu giữ lượng khí thải carbon từ khí quyển là biện pháp cuối cùng, nhưng với tình trạng khẩn cấp về khí hậu đáng báo động hiện giờ, đó là giải pháp mà chúng ta cần khám phá. Điều đầu tiên và cấp bách nhất mà chúng ta phải làm là giảm phát thải khí carbon trên toàn thế giới, nhưng việc loại bỏ khí nhà kính cũng rất cần thiết để đạt được mức phát thải ròng bằng 0 và hạn chế những tác động tồi tệ nhất của biến đổi khí hậu. Thực tế là chúng ta phải làm mọi thứ có thể”.

Để thu giữ carbon dioxide trực tiếp từ không khí, việc sử dụng vật liệu giống như xốp là một phương pháp tiềm năng. Thế các phương pháp hiện tại với nhiều dạng vật liệu khác rất tốn kém, đòi hỏi nhiệt độ cao tức là tốn năng lượng và thiếu tính ổn định.

Forse cho biết: “Việc sử dụng vật liệu xốp để thu giữ carbon từ khí quyển đã được thực hiện với nhiều triển vọng. Chúng tôi muốn xem liệu than hoạt tính có thể là một lựa chọn hay không vì nó rẻ, ổn định và có thể sản xuất trên quy mô lớn”.

Vai trò của than hoạt tính

Than hoạt tính được sử dụng trong nhiều ứng dụng lọc, chẳng hạn như bộ lọc nước, nhưng thông thường nó không thể thu và giữ carbon dioxide từ không khí. Forse và các đồng nghiệp đề xuất rằng nếu than hoạt tính có thể được sạc, giống như pin, thì nó có thể là vật liệu thích hợp để thu giữ carbon.

Khi sạc pin, các ion tích điện sẽ được đưa vào một trong các điện cực của pin. Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng việc nạp than hoạt tính bằng các hợp chất hóa học gọi là hydroxit (OH-) sẽ khiến nó thích hợp cho việc thu giữ carbon vì hydroxit tạo thành liên kết thuận nghịch với CO2.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng quy trình sạc giống như pin để sạc ion hydroxit vào một miếng xốp than hoạt tính rẻ tiền. Trong quá trình này, miếng xốp về cơ bản hoạt động giống như một điện cực trong pin và các ion hydroxit tích tụ trong các lỗ nhỏ của miếng xốp than. Khi kết thúc quá trình sạc, than được lấy ra khỏi “pin”, rửa sạch và sấy khô.

Kết quả đầy hứa hẹn và định hướng tương lai

Các thử nghiệm về miếng xốp than được tích điện cho thấy nó có thể thu giữ thành công CO₂ trực tiếp từ không khí nhờ cơ chế liên kết của các hydroxit.

Forse cho biết: “Đó là một cách mới để chế tạo vật liệu, sử dụng quy trình giống như pin. Và tốc độ thu giữ carbon dioxide đã tương đương với các vật liệu hiện tại. Nhưng điều hứa hẹn hơn nữa là phương pháp này có thể tiêu tốn ít năng lượng hơn nhiều vì chúng tôi không cần nhiệt độ cao để thu CO₂ và tái tạo miếng xốp than”.

Tuy nhiên, quá trình không chỉ có mỗi vậy. Để thu carbon dioxide từ miếng bọt than phải thực hiện việc tinh chế và lưu trữ. Và để làm điều đó, vật liệu được nung nóng để đảo ngược liên kết hydroxit-carbon dioxide. Trong hầu hết các phương pháp hiện được sử dụng để thu giữ CO₂ từ không khí, vật liệu cần được nung nóng đến nhiệt độ cao tới 900°C nên thường phải sử dụng khí tự nhiên.

Tuy nhiên, xốp tích điện do nhóm của trường Cambridge phát triển chỉ cần làm nóng đến 90-100°C là đủ. Đáng chú ý, mức nhiệt độ này có thể đạt được bằng cách sử dụng điện tái tạo nên phương pháp thu giữ carbon này hoàn toàn xanh. Hơn nữa, miếng xốp than hoạt tính được làm nóng thông qua hệ thống sưởi điện trở, về cơ bản làm nóng chúng từ trong ra ngoài, giúp quá trình này diễn ra nhanh hơn và ít tốn năng lượng hơn.

Tuy nhiên, vật liệu này vẫn có những hạn chế mà các nhà nghiên cứu hiện đang tìm cách giải quyết. Forse cho biết: “Chúng tôi hiện đang nỗ lực tăng lượng carbon dioxide có thể thu giữ được, đặc biệt là trong điều kiện ẩm ướt khiến hiệu suất giảm sút mạnh”.

Những đổi mới và ứng dụng trong tương lai

Các nhà nghiên cứu cho biết phương pháp của họ có thể hữu ích trong các lĩnh vực ngoài khả năng thu giữ carbon, vì các lỗ trống trong miếng xốp làm từ than và các ion đưa vào chúng có thể được tinh chỉnh để thu giữ nhiều loại phân tử.

Forse cho biết: “Cách tiếp cận này là một ý tưởng điên rồ mà chúng tôi nghĩ ra trong thời gian phong tỏa vì COVID-19. Thật thú vị khi những ý tưởng này thực sự hoạt động. Phương pháp tiếp cận này mở ra cánh cửa tạo ra tất cả các loại vật liệu phục vụ cho các ứng dụng khác nhau, theo cách đơn giản và tiết kiệm năng lượng”.