Phát minh ra loại bột có thể hấp thụ khí CO2 hiệu quả hơn cây xanh

Một cây thông thường trong quá trình phát triển, có thể hút tới 40 kg carbon dioxide ra khỏi không khí trong suốt một năm. Giờ đây, các nhà khoa học tại Trường đại học Berkeley cho biết họ có thể làm công việc tương tự với khoảng 200 gram bột màu vàng mịn.

Theo một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature vào 23.10, các hạt bột đó những lỗ cực nhỏ có thể giữ khí nhà kính trong đó. Sau đó, họ sẽ thu khí nhà kính từ trong bột đó rồi đêm trữ ở một nơi nào đó để khí không thể góp phần vào hiện tượng nóng lên toàn cầu. Trong các cuộc thử nghiệm, vật liệu vẫn ở có hiệu suất tốt sau 100 chu kỳ như vậy,.

Omar Yaghi, một nhà hóa học lưới tại Trường đại học Berkeley và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết Nó hoạt động rất tốt: "Dựa trên độ ổn định và hoạt tính của vật liệu hiện tại, chúng tôi nghĩ rằng nó sẽ hoạt động trong hàng nghìn chu kỳ".

Được gọi là COF-999, bột này có thể được triển khai trong các loại nhà máy thu khí trực tiếp quy mô lớn đang bắt đầu hoạt động để giảm lượng carbon trong khí quyển.

Các nhà khoa học cho biết, việc duy trì nồng độ carbon dioxide trong khí quyển dưới 450 phần triệu (ppm) là cần thiết để hạn chế tình trạng nóng lên toàn cầu ở mức 2 độ C so với mức trước thời kỳ công nghiệp và ngăn ngừa một số hậu quả thảm khốc nhất của biến đổi khí hậu. Các phép đo được thực hiện tại Đài quan sát Mauna Loa ở Hawaii cho thấy nồng độ CO2 hiện ở mức khoảng 423 ppm.

Yaghi, cũng là nhà khoa học trưởng tại Viện Vật liệu Kỹ thuật số thuộc Trường đại học Berkeley, cho biết: "Bạn phải lấy CO2 từ không khí — không có cách nào khác hay hơn. Ngay cả khi chúng ta ngừng thải CO2, chúng ta vẫn cần phải lấy nó ra khỏi không khí. Chúng ta không có lựa chọn nào khác".

Klaus Lackner, giám đốc sáng lập Trung tâm Triệt tiêu Phát thải Carbon tại Đại học Bang Arizona, đồng ý rằng việc thu giữ không khí trực tiếp sẽ trở thành một công cụ quan trọng để cô lập carbon và làm mát hành tinh sau khi vượt qua được những rào cản quan trọng. Ông cho biết những tiến bộ trong nghiên cứu mới có thể giúp ích.

Lackner, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết: "Chúng ta đang mở ra cánh cửa dẫn đến một loạt các phương pháp tiếp cận mới".

Theo trưởng nhóm nghiên cứu Zihui Zhou, một nhà hóa học vật liệu đang theo học tiến sĩ tại Trường đại học Berkeley, khi quan sát dưới kính hiển vi điện, hạt bột trông giống như những quả bóng rổ nhỏ có hàng tỉ lỗ.

Các cấu trúc được giữ lại với nhau bằng một số liên kết hóa học mạnh nhất trong tự nhiên, gồm cả những liên kết biến nguyên tử carbon thành kim cương. Các hợp chất được gọi là amin được gắn vào giữa các liên kết.

Khi không khí chảy qua các cấu trúc, hầu hết các thành phần của nó đều đi qua mà không bị xáo trộn. Nhưng các amin vốn có tính bazơ, đã hút phân tử carbon dioxide vốn có tính axit.

Các phân tử CO2 đó sẽ ở nguyên vị trí cho đến khi các nhà khoa học làm chúng tơi ra bằng cách sử dụng nhiệt. Sau đó, họ có thể hút chúng lại rồi bơm chúng xuống sâu dưới lòng đất để khỏi thoát ra khí quyển

Sau khi loại bỏ carbon dioxide khỏi bột, toàn bộ quá trình có thể bắt đầu lại. Để kiểm tra khả năng làm sạch carbon của COF-999, các nhà nghiên cứu đã đóng gói bột vào một ống thép không gỉ có kích thước bằng một ống hút và tiếp xúc với không khí ngoài trời trong 20 ngày liên tục.

Zhou cho biết khi đi vào ống, không khí Berkeley chứa CO2 ở nồng độ từ 410 ppm đến 517 ppm. Khi nó thoát ra ở phía bên kia, các nhà khoa học không thể phát hiện ra bất kỳ carbon dioxide nào.

Theo những người sáng tạo ra COF-999, loại bột này có một số ưu điểm so với các vật liệu khác. Cấu tạo xốp của nó làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, nghĩa là có nhiều nơi hơn để giữ các phân tử CO2. Do đó, COF-999 thu giữ carbon dioxide ở tốc độ "nhanh hơn ít nhất 10 lần" so với các vật liệu khác được sử dụng để thu giữ không khí trực tiếp.

Một điểm cộng nữa là COF-999 sẽ nới lỏng việc giữ CO2 khi nó được đun nóng đến khoảng 60 độ C. Zhou cho biết các vật liệu tương đương phải được đun nóng đến 120 độ C để chiết xuất carbon nên rất tốn năng lượng, mà tốn năng lượng thì lại dễ thải khí nhà kính hơn để tạo ra năng lượng.

Loại bột này cũng bền hơn. Zhou cho biết nhóm đã thử nghiệm một phiên bản mới hơn có thể hoạt động trong 300 chu kỳ trước khi thí nghiệm kết thúc.

Lackner cho biết đó là một dấu hiệu đáng mừng. Ông nói: "Việc thực hiện 100 chu kỳ và không thấy bất kỳ sự suy giảm nào cho thấy ta có thể thực hiện hàng nghìn chu kỳ. Chúng tôi còn không biết liệu ta có thể thực hiện hàng trăm nghìn chu kỳ hay không".

Các thành viên trong nhóm đã tiếp tục cải tiến và họ đang trên đà tăng gấp đôi công suất của nó trong năm tới. Zhou cho biết để triển khai nó trên quy mô công nghiệp sẽ cần phải thiết kế một loại hộp kim loại lớn mà không khí có thể đi qua nhưng không thổi bay hết bột. Những hộp đó sẽ cần được nhóm lại với nhau theo số lượng giống như kiểu một nhà máy hóa chất hoặc dầu mỏ hiện đại.

Yaghi cho biết một phiên bản COF-999 có thể sẵn sàng cho các nhà máy thu không khí trực tiếp trong vòng hai năm. Ông không thể ước tính chi phí nếu sản xuất số lượng lớn, nhưng ông tiết lộ việc này không yêu cầu bất kỳ vật liệu đắt tiền hoặc kỳ lạ nào.

Yaghi đã thành lập một công ty, Atoco có trụ sở tại Irvine, để thương mại hóa nghiên cứu về thu giữ carbon và các công nghệ khác của mình. Atoco đã giúp tài trợ cho nghiên cứu mới. Ngoài ra, Trường đại học Berkeley đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho COF-999, trong đó nêu tên Yaghi và Zhou là những người phát minh.

Lackner cho biết toàn bộ quy trình thu giữ không khí trực tiếp sẽ phải trở nên "rẻ hơn 10 lần so với hiện tại". Chỉ khi đó thì công nghệ này mới có thể tạo ra tác động thực sự đến hàng trăm tỉ tấn carbon dioxide mà các nhà khoa học muốn loại bỏ khỏi khí quyển.

Một vật liệu hiệu quả hơn trong việc thu thập CO2 sẽ hữu ích, nhưng Lackner cho biết ông dành nhiều thời gian hơn để lo lắng về các vấn đề như tốn bao nhiêu năng lượng để đưa carbon vào lòng đất vì chính việc tiêu thụ năng lượng đó cũng làm Trái đất nóng lên. Ông cho biết "Có hàng ngàn thứ tác động đến điều này".