Chất xúc tác rất cần thiết trong công nghệ biến đổi dầu nặng thành xăng hoặc nhiên liệu máy bay. Hiện nay, chất xúc tác tham gia vào sản xuất hơn 80% tất cả các sản phẩm tiêu dùng.

Một nhóm nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) phối hợp với Đại học Bắc Illinois đã tạo ra một chất xúc tác điện phân mới có thể chuyển hóa carbon dioxide (CO2) và nước thành ethanol với hiệu suất năng lượng rất cao, khả năng chon lọc cao khi tạo ra sản phẩm và chi phí sản xuất thấp.

Ethanol là một thành phẩm đặc biệt được ưa chuộng vì đây một thành phần quan trong trong hầu hết các loại xăng của Mỹ, được sử dụng rộng rãi như một sản phẩm trung gian trong các ngành công nghiệp hóa chất, dược phẩm và mỹ phẩm.

Chất xúc tác đồng phân tán đơn nguyên tử với bột độn cacbon giúp phân tác nước và CO2, tạo ra ethanol.

 

Di-Jia Liu, nhà hóa học cấp cao thuộc cơ quan Kỹ thuật và Khoa học Hóa học của phòng nghiên cứu quốc giaArgonne và nhà nghiên cứu khoa học tại UChi Chicago CASE thuộc Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker, Đại học Chicago cho biết: “Quá trình được hình thành từ chất xúc tác của chúng tôi sẽ đóng góp vào nền kinh tế quy trình khép kính của carbon, thêm vào đó việc tái sử dụng carbon dioxide”.

Quá trình này hoạt động bằng giải pháp chuyển đổi điện hóa khí CO2, thải ra từ những quy trình công nghiệp nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch hoặc nhà máy lên men rượu, thành sản phẩm có giá trị cao trong đời sống với chi phí hợp lý.

Chất xúc tác của nhóm là đồng phân tán đơn nguyên tử với bột độn cacbon. Thông  qua phản ứng điện hóa, chất xúc tác phá vỡ các phân tử CO2 và nước, đồng thời kết hợp một cách có chọn lọc các phân tử bị phá vỡ thành etanol dưới điện trường bên ngoài.

Tính chọn lọc của chất xúc tác điện ly, hay còn gọi là "hiệu suất Faradaic" của quy trình đạt hơn 90%, cao hơn nhiều so với bất kỳ quy trình điện phân khác. Đồng thời chất xúc tác này hoạt động ổn định khi điện phân kéo dài dưới điện áp thấp.

"Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát hiện được một cơ chế xúc tác mới, chuyển hóa carbon dioxide và nước thành ethanol", Tao Xu, giáo sư hóa lý và công nghệ nano thuộc Đại học Bắc Illinois cho biết.

"Cơ chế xúc tác này hình thành một nền tảng mới phát triển các chất xúc tác điện hiệu quả cao, có thể chuyển đổi carbon dioxide thành những hóa chất có nhu cầu và giá trị cao trong đời sống."

Do CO2 là một phân tử bền vững, quá trình biến đổi carbon dioxide thành một phân tử khác đòi hỏi nhiều năng lượng và chi phí cao.

Nhưng ông Liu nói “Chúng tôi có thể kết hợp quá trình điện hóa chuyển đổi CO2 thành ethanol bằngg giải pháp sử dụng chất xúc tác mới, kết hợp với lưới điện công nghiệp, tận dụng nguồn điện giá rẻ có sẵn từ những nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió trong giờ thấp điểm."

Bởi vì quá trình chạy ở nhiệt độ và áp suất thấp, sản xuất ethanon bằng điện hóa sử dụng chất xúc tác mới có thể bắt đầu và dừng lại nhanh chóng mà không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, đáp ứng với sự biến động của nguồn cung cấp điện năng tái.

Nghiên cứu của nhóm được tài trợ từ 2 cơ quan Bộ Năng lượng Mỹ là Cơ sở Khoa học Tiện ích Người tiêu dùng thuộc Văn phòng DOE  tại Argonne - Nguồn năng lượng Photon tiên tiến (APS) và Trung tâm Vật liệu Kích thước nano (CNM); Trung tâm Tài nguyên Máy tính Phòng thí nghiệm của Argonne (LCRC).

"Nhờ thông lượng photon cao của chùm tia X tại APS, chúng tôi nắm bắt được những thay đổi cấu trúc của chất xúc tác trong quá trình phản ứng điện hóa '', Tao Li, trợ lý giáo sư tại Khoa Hóa học và Hóa sinh tại Bắc Illinois cho biết Đại học và là trợ lý nhà khoa học trong Cơ sở nghiên cứu Khoa học tia X thuộc Argonne.

Những dữ liệu này cùng với việc sử dụng kính hiển vi điện tử độ phân giải cao tại Trung tâm vật liệu nano – (Center for Nanoscale Materials CNM) và mô hình toán học sử dụng Trung tâm Tài nguyên Máy tính Phòng thí nghiệm LCRC cho thấy sự chuyển đổi thuận nghịch từ đồng phân tán đơn nguyên tử thành các cụm ba nguyên tử đồng khi áp dụng điện áp thấp.

Ba cụm nguyên tử đồng dưới điện áp thấp phân tách Co2, nước và tạo thành ethanol.

Chất xúc tác chuyển đổi CO2 thành etanol xảy ra trên những cụm đồng nhỏ bé này. Phát hiện mới làm rõ hơn các phương pháp nâng cao hiệu quả chất xúc tác bằng những thiết kế hợp lý.

Ông Liu cho biết: “Chúng tôi sử dụng phương pháp này, tạo ra một số chất xúc tác mới, và nhận thấy rằng tất cả những chất xúc tác có được đều có hiệu quả cao trong quá trình chuyển đổi CO2 thành các hydrocacbon khác.