“Chất liệu sạch từ không khí và rác nhựa”

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra cách carbon dioxide từ các hoạt động công nghiệp hoặc trực tiếp từ không khí có thể được thu thập và chuyển đổi thành nhiên liệu sạch và bền vững chỉ sử dụng năng lượng mặt trời. Các nhà nghiên cứu, từ Đại học Cambridge, đã phát triển một lò phản ứng năng lượng mặt trời để chuyển đổi CO2 và chất thải nhựa thu được thành nhiên liệu bền vững và các sản phẩm hóa học có giá trị khác. Trong các thử nghiệm, CO2 đã được chuyển đổi thành khí tổng hợp, một khối xây dựng chính cho nhiên liệu lỏng bền vững và chai nhựa được chuyển đổi thành axit glycolic, được sử dụng rộng rãi trong ngành mỹ phẩm.

Tuy nhiên, không giống như các thử nghiệm trước đó về công nghệ nhiên liệu mặt trời, nhóm nghiên cứu đã lấy CO2 từ các nguồn trong thế giới thực – chẳng hạn như khí thải công nghiệp hoặc chính không khí. Các nhà nghiên cứu đã có thể thu giữ và cô đặc CO2 và chuyển đổi nó thành nhiên liệu bền vững. Mặc dù cần có những cải tiến trước khi công nghệ này có thể được sử dụng ở quy mô công nghiệp, nhưng kết quả, được báo cáo trên tạp chí Joule, cho thấy một bước quan trọng khác đối với việc sản xuất nhiên liệu sạch để tạo ra nền kinh tế mà không cần khai thác dầu khí gây hại cho môi trường.

Trong nhiều năm, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Erwin Reisner, có trụ sở tại Khoa Hóa học của Yusuf Hamied, đã phát triển một loại nhiên liệu carbon sạch, bền vững lấy cảm hứng từ quá trình quang hợp – quá trình thực vật chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành thức ăn – sử dụng lá nhân tạo. Những chiếc lá nhân tạo này chuyển đổi CO2 và nước thành nhiên liệu chỉ sử dụng năng lượng mặt trời. Cho đến nay, các thí nghiệm chạy bằng năng lượng mặt trời của họ đã sử dụng CO2 tinh khiết, đậm đặc từ các xi lanh, nhưng để công nghệ này có thể sử dụng thực tế, nó cần có khả năng chủ động thu giữ CO2 từ các quy trình công nghiệp hoặc trực tiếp từ không khí. Tuy nhiên, vì CO2 chỉ là một trong nhiều loại phân tử khác nhau trong không khí mà chúng ta hít thở, nên việc làm cho công nghệ này đủ chọn lọc để chuyển đổi CO2 loãng cao là một thách thức kỹ thuật lớn.

Reisner nói: “Chúng tôi không chỉ quan tâm đến quá trình khử cacbon mà còn cả quá trình khử hóa thạch — chúng tôi cần loại bỏ hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch để tạo ra một nền kinh tế tuần hoàn thực sự”. “Trong trung hạn, công nghệ này có thể giúp giảm lượng khí thải carbon bằng cách thu hồi nó từ ngành công nghiệp và biến nó thành thứ gì đó hữu ích, nhưng cuối cùng, chúng ta cần cắt hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch ra khỏi phương trình và thu giữ CO2 từ không khí.” Các nhà nghiên cứu đã lấy cảm hứng từ việc thu hồi và lưu trữ carbon (CCS), nơi CO2 được thu giữ, sau đó được bơm và lưu trữ dưới lòng đất.

Reisner cho biết: “CCS là một công nghệ phổ biến trong ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch như một cách để giảm lượng khí thải carbon trong khi tiếp tục thăm dò dầu khí. “Nhưng nếu thay vì thu hồi và lưu trữ carbon, chúng ta thu hồi và sử dụng carbon, chúng ta có thể tạo ra thứ gì đó hữu ích từ CO2 thay vì chôn nó dưới lòng đất, với những hậu quả lâu dài chưa biết và loại bỏ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch.” Các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh công nghệ chạy bằng năng lượng mặt trời của họ để nó hoạt động với khí thải hoặc trực tiếp từ không khí, biến CO2 và nhựa thành nhiên liệu và hóa chất chỉ sử dụng năng lượng mặt trời.

Bằng cách cho không khí sủi bọt qua một hệ thống chứa dung dịch kiềm, CO2 được giữ lại một cách có chọn lọc và các loại khí khác có trong không khí, chẳng hạn như nitơ và oxy, được sủi bọt một cách vô hại. Quá trình sủi bọt này cho phép các nhà nghiên cứu cô đặc CO2 từ không khí trong dung dịch, giúp sử dụng dễ dàng hơn. Hệ thống tích hợp chứa một photocathode và một anode. Hệ thống có hai ngăn: một bên là dung dịch CO2 bị giữ lại sẽ được chuyển hóa thành khí tổng hợp, một loại nhiên liệu đơn giản. Các loại nhựa khác được chuyển đổi thành các hóa chất hữu ích chỉ bằng ánh sáng mặt trời.

Tiến sĩ Motiar Rahaman, đồng tác giả đầu tiên cho biết: “Thành phần nhựa là một thủ thuật quan trọng đối với hệ thống này. “Thu giữ và sử dụng CO2 từ không khí khiến cho quá trình hóa học trở nên khó khăn hơn. Tuy nhiên, nếu chúng ta thêm chất thải nhựa vào hệ thống, nhựa sẽ tặng điện tử cho CO2. Nhựa sẽ phân hủy thành axit glycolic, được sử dụng rộng rãi trong ngành mỹ phẩm và CO2 được chuyển đổi thành khí tổng hợp, đây là một loại nhiên liệu dễ dàng.” “Hệ thống năng lượng mặt trời này sử dụng hai chất thải có hại – nhựa và khí thải carbon – và biến chúng thành một thứ thực sự hữu ích”, đồng tác giả đầu tiên, Tiến sĩ Sayan Kar cho biết.

“Thay vì lưu trữ CO2 dưới lòng đất, như trong CCS, chúng tôi có thể thu giữ nó từ không khí và tạo ra nhiên liệu sạch từ nó,” Rahaman nói. “Bằng cách này, chúng ta có thể loại bỏ ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch ra khỏi quy trình sản xuất nhiên liệu, điều này hy vọng sẽ giúp chúng ta tránh được sự hủy hoại khí hậu.” Kar nói: “Việc chúng ta có thể lấy CO2 từ không khí một cách hiệu quả và tạo ra thứ gì đó hữu ích từ nó là điều đặc biệt. “Thật hài lòng khi thấy rằng chúng tôi thực sự có thể làm điều đó chỉ bằng ánh sáng mặt trời.”

Các nhà khoa học hiện đang làm việc trên một thiết bị trình diễn để bàn với hiệu quả và tính thực tế được cải thiện để làm nổi bật những lợi ích của việc kết hợp việc thu khí trực tiếp với mức tiêu thụ CO2 như một con đường dẫn đến một tương lai không carbon. Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Viện Khoa học Weizmann, Học bổng Marie Sklodowska-Curie của Ủy ban Châu Âu, Chương trình Winton về Vật lý Bền vững và Hội đồng Nghiên cứu Khoa học Vật lý và Kỹ thuật (EPSRC), một phần của Nghiên cứu và Đổi mới Vương quốc Anh (UKRI) . Erwin Reisner là Nghiên cứu sinh và Motiar Rahaman là Cộng tác viên Nghiên cứu của Đại học St John’s, Cambridge. Erwin Reisner lãnh đạo Trung tâm Nhựa tròn Cambridge (CirPlas), nhằm mục đích loại bỏ rác thải nhựa bằng cách kết hợp tư duy bầu trời xanh với các biện pháp thực tế. ()