Hãy tưởng tượng đến ngày các loại khí từ nhà máy điện và ngành công nghiệp nặng thay vì được xả thải vào khí quyển thì giờ được thu giữ và đưa vào các lò phản ứng xúc tác, các lò phản ứng này biến đổi hóa học các khí nhà kính, như khí CO2, thành các nhiên liệu hoặc hóa chất công nghiệp và chỉ thải ra oxy.

Nghiên cứu sinh Haotian Wang đến từ Viện Nghiên cứu Rowland thuộc Trường Đại học Harvard và các cộng sự đã xây dựng một hệ thống cải thiện nhằm sử dụng điện tái tạo để khử khí CO2 thành CO – đây là mặt hàng chủ chốt được sử dụng ở rất nhiều quy trình công nghiệp.

Hệ thống mới này rẻ hơn hệ thống cũ, và dựa vào nồng độ khí CO2 cao và hơi nước để hoạt động hiệu quả hơn, Wang cho biết.

“Trong công trình nghiên cứu trước đó, chúng tôi đã phát hiện các chất xúc tác nguyên tử mạ kền đơn có khả năng khử CO2 thành CO nhưng một trong những khó khăn chúng tôi phải đối mặt đó là quá trình tổng hợp những chất liệu ấy rất đắt đỏ”, Wang cho biết. “

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu của Wang đã chuyển sang một sản phẩm thương mại rẻ hơn gấp ngàn lần, đó là cacbon đen.

Bằng cách sử dụng một quy trình tương tự quy trình sức hút tĩnh điện, Wang và các cộng sự có thể hút những nguyên tử mạ kền đơn (điện tích dương) vào các độ hụt (điện tích âm) trong các phân tử nano cacbon đen, kết quả đem lại vật liệu vừa rẻ, vừa rất lý tưởng cho việc khử CO2.

Một thách thức khác mà Wang và các đồng sự phải vượt qua đó là hệ thống gốc chỉ hoạt động ở dung dịch lỏng.

Hệ thống ban đầu này hoạt động bằng cách sử dụng một điện cực ở một buồng nạp điện để tách các phân tử nước thành oxy và proton. Khi oxy sôi lên, các proton được dẫn qua dung dịch chất lỏng sẽ di chuyển vào buồng nạp điện thứ hai. Tại đây, với sự hỗ trợ của chất xúc tác mạ kền, các proton này sẽ kết lại với CO2 và bẻ gãy phân tử này, còn lại CO và nước. Nước này sau đó có thể được đưa vào buồng nạp điện thứ nhất, sẽ được tách nước lần nữa, và bắt đầu quá trình này lại lần nữa.

“Vấn đề là CO2 mà chúng tôi có thể khử ở hệ thống ấy chỉ là những phân tử hòa tan trong nước; hầu hết các phân tử xung quanh chất xúc tác là nước”, ông cho biết. “Chỉ có một ít CO2, vì thế không mấy hiệu quả”.

Giải pháp cho vấn đề này khá đơn giản – để tránh tách nước, nhóm nghiên cứu lấy chất xúc tác ra khỏi dung dịch.

“Chúng tôi thay nước lỏng ấy bằng hơi nước, và cho khí CO2 nồng độ cao vào. Vì thế, nếu hệ thống cũ là hơn 99% nước và chưa đến 1% CO2 thì nay chúng tôi có thể đảo ngược hoàn toàn, bơm 97% khí CO2 và chỉ 3% hơi nước vào hệ thống này. Trước đây nước lỏng ấy đóng vai trò là chất dẫn ion trong hệ thống, thì nay chúng tôi sử dụng các màng trao đổi ion thay thế để giúp các ion di chuyển xung quanh mà không cần nước lỏng”.

Wang cho biết, tương lai không xa, ngành công nghiệp sẽ có thể thu giữ khí CO2 thải vào khí quyển và biến đổi khí ấy thành các sản phẩm hữu ích.