Nếu các khối cấu trúc hóa học này được chấp nhận trong môi trường công nghiệp, đưa vào áp dụng trên quy mô lớn, quy trình này có thể mang lại cho thế giới một luồng sinh khí mới khi chuyển sang nền kinh tế xanh thân thiện môi trường.

Trong bài báo đăng trên tạp chí Advanced Energy Vật liệu, tiến sĩ Rahman Daiyan và tiến sĩ Emma Lovell từ Trường Kỹ thuật Hóa học thuộc UNSWW công bố chi tiết phương pháp tạo ra các hạt nano, thúc đẩy chuyển hóa khí thải carbon thành các thành phần công nghiệp hữu ích.

Chu trình chuyển hóa khí thải CO2 thành nhiên liệu và các tiền chất hữu ích trong công nghiệp.

 

Các nhà khoa học thuộc Phòng nghiên cứu thí nghiệm về hạt và chất xúc tác do giáo sư khoa học Rose Amal lãnh đạo, thông qua những thực nghiệm đã đưa ra phương pháp tạo ra oxit kẽm bằng nhiệt độ siêu cao, sử dụng một kỹ thuật được gọi là phun lửa nhiệt phân (FSP).

Bằng cách này, các nhà khoa học có thể tạo ra những hạt nano oxit kẽm đóng vai trò chất xúc tác, biến carbon dioxide thành ‘syngas’- hỗn hợp hydro và carbon monoxide, được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm công nghiệp.

Nhóm nghiên cứu cho biết, phương pháp tạo ra các syngas rẻ hơn và có thể mở rộng sản xuất, đáp ứng yêu cầu của ngành công nghiệp nặng so với những kỹ thuật sản xuất hiện nay.

Tiến sĩ Lovell giải thích: chúng tôi sử dụng một ngọn lửa mở, nóng đến 2000 độ, tạo ra các hạt nano oxit kẽm, sau đó sử dụng những hạt nano này, bằng phương pháp điện hóa chuyển đổi CO2, thành khí tổng hợp.

 “Syngas thường được coi là một mảnh Lego hóa học vì hai khối hóa chât - hydro và carbon monoxide, được kết hợp trong những tỷ lệ khác nhau sẽ tạo ra những vật liệu công nghiệp có ích như diesel tổng hợp, metanol, rượu hoặc nhựa, những tiền chất công nghiệp rất quan trọng.”

 “Vì vậy, về bản chất, những gì chúng tôi làm là chuyển đổi CO2 thành các tiền chất, được sử dụng để tạo ra tất cả những hóa chất công nghiệp quan trọng này.

Nhà nghiên cứu Daiyan nói: “Trong môi trường công nghiệp, một thiết bị điện phân có chứa các hạt nano từ oxit kẽm, được sản xuất bởi kỹ thuật FSP có thể chuyển khí thải CO2 thành các hoán vị hữu ích của khí tổng hợp.

“Giả thiết rằng, khí thải từ một nhà máy điện hoặc nhà máy xi măng, có thể được truyền qua thiết bị nhiệt điện phân này, bên trong là các hạt nano oxit kẽm, được phun ra từ ngọn lửa nhiệt độ cao của điện cực. Khi chúng ta bơm khí thải CO2, khí sẽ được xử lý bằng điện và thu lại từ đầu ra là khi tổng hợp từ hỗn hợp carbon monoxide và hydro,” ông nói.

Bằng cách này, nhóm nghiên cứu đã tạo lên một vòng tròn khép kín khai thác sử dụng carbon trong các quy trình công nghiệp, không tạo ra khí nhà kính gây ô nhiễm môi trường.

Thực hiện những điều chỉnh nhỏ với phương thức tạo ra các hạt nano từ ô xít kẽm, bị đốt cháy bằng kỹ thuật FSP, có thể xác định hỗn hợp cuối cùng của khí tổng hợp từ những khối hợp chất hóa học, được tạo trong quá trình chuyển đổi carbon dioxide.

 “Hiện nay, nền công nghiệp sản xuất khí tổng hợp bằng cách sử dụng khí đốt tự nhiên, có nghĩa là từ nhiên liệu hóa thạch”, ông Daiyan nói. “Nhưng chúng tôi sử dụng carbon dioxide thải chuyển đổi thành khí tổng hợp theo tỷ lệ phụ thuộc vào ngành công nghiệp sẽ sử dụng”.

 “Ví dụ, tỷ lệ 1-1 giữa carbon monoxide và hydro của khí tổng hợp được sử dụng làm nhiên liệu. Nhưng tỷ lệ 4 – 1 carbon monoxide và hydro được sử dụng để chế tạo nhựa”, ông Daiyan giải thích.

Khi chọn oxit kẽm làm chất xúc tác, các nhà nghiên cứu khẳng định rằng giải pháp này là một sự thay thế rẻ hơn nhiều so với những phương pháp được thử nghiệm trước đây trong quy trình này.

Các nhà khoa học trước đây đã sử dụng những vật liệu đắt tiền làm chất xúc tác như palladi, nhưng đây là trường hợp đầu tiên dùng ô xít kẽm, loại nguyên liệu rất rẻ và phong phú , khai thác được địa phương ở Úc chuyển đổi thành công khí thải carbon dioxide, ông Daiyan nói.

Lovell cho biết thêm, ưu thế khiến phương pháp này trở nên hấp dẫn là sử dụng hệ thống phun lửa FSP chế tạo và kiểm soát việc tổng hợp các vật liệu có giá trị này. Điều đó có nghĩa là công nghệ có thể được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp, phát triển mở rộng, đặc biệt, phương pháp này có thể tạo ra các loại vật liệu có ích cho nghiệp siêu nhanh và rất hiệu quả.

“Chúng tôi không cần phải lo lắng về những kỹ thuật tổng hợp vật liệu phức tạp, sử dụng những kim loại và tiền chất rất đắt tiền - chúng tôi chỉ cần đốt ô xít kẽm và trong 10 phút, những hạt nano xúc tác đã sẵn sàng hoạt động. Kiểm soát liều lượng ô xít kẽm đốt ở nhiệt độ cao, có thể kiểm soát những tỷ lệ các khối hóa chất để tạo thành khí tổng hợp syngas mong muốn”, bà nói.

Mặc dù các nhà khoa học thành công chế tạo máy điện nhiệt phân, thử nghiệm thành công với khí thải CO2 chứa chất gây ô nhiễm, nhưng mở rộng công nghệ này thành kỹ thuật công nghiệp, có thể chuyển đổi tất cả lượng khí thải carbon từ một nhà máy nhiệt điện vẫn còn rất nhiều khó khăn thách thức.

Lovell nói: “Ý tưởng là chúng ta có thể thu thập nguồn CO2 như từ nhà máy nhiệt điện than, nhà máy điện khí hoặc thậm chí là mỏ khí đốt tự nhiên, trang bị thêm công nghệ này ở nguồn thải ra làm ô nhiễm môi trường. Nguồn tài nguyên khí thải CO2 sẽ được chuyển đổi thành các khối hóa chất có giá trị đối với ngành công nghiệp”.

Nhóm nhà khoa học cho biết: “Phát triển tiếp theo của dự án là thử nghiệm các hạt xúc tác nano trong môi trường khí thải từ các nhà máy, đảm bảo những hạt nano này chịu được các điều kiện khắc nghiệt và những hóa chất khác có trong khí thải công nghiệp” và hoàn thiện công nghệ để có thể chuyển hóa thành kỹ thuật, ứng dụng mở rộng trong sản xuất và thương mại.