Lớp phủ polymer tăng tốc sản xuất nhiên liệu xanh

Sự gia tăng của khí nhà kính như carbon dioxide (CO2) trong khí quyển làm nghiêm trọng thêm biến đổi khí hậu. Vấn đề thu giữ và tái chế CO2 có ý nghĩa quan trọng nhằm giảm thiểu các tác động có hại với môi trường và giải quyết khủng hoảng khí hậu.

Gần đây, các nhà khoa học Nhật Bản thiết kế một chất xúc tác kim loại phủ polymer giúp tăng tốc độ chuyển hóa CO2 thành chất có lợi cho sản xuất năng lượng xanh, bền vững với môi trường.

Trong một nghiên cứu, được công bố trên Tạp chí ACS Catallysis, các nhà khoa học thuộc Đại học Tsukuba và Đại học Osaka, Nhật Bản giới thiệu chất xúc tác thiếc xốp (Sn) được phủ bằng polyethylene glycol (PEG), cho thấy polymer này tạo điều kiện thuận lợi chuyển hóa CO2 thành nhiên liệu xanh trên cơ sở carbon.

Lớp phủ polymer trên chất xúc tác thiếc xốp Sn làm tăng năng xuất sản xuất formate (HCOO-).

Nhiều loại polymer khác nhau có thể thu giữ các phân tử CO2, chất xúc tác Sn (thiếc xốp) được sử dụng để khử CO2 thành các phân tử khác, như formate (HCOO-) để sản xuất axit formic, cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu.

Axit fomic là chất lỏng, an toàn và cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu. Axit formic được sản xuất bền vững từ quá trình điện phân CO2. Công nghệ pin nhiên liệu sử dụng axit formic tạo cơ hội phát triển bền vững trong lĩnh vực năng lượng.

Pin nhiên liệu gốc axit fomic đại diện cho một hệ thống cung cấp năng lượng đầy hứa hẹn về điện áp hở mạch hiệu suất lý thuyết cao (1,48V). So với các loại pin nhiên liệu thông thường chạy bằng H2 (pin nhiên liệu trao đổi proton qua màng lọc PEMFC), axit formic có chi phí lưu trữ thấp và an toàn hơn.

Pin nhiên liệu axit formic HCOOH, nguồn điện xanh thân thiện môi trường.

Tốc độ sản xuất formate của Sn phủ PEG cao hơn 24 lần so với điện cực tấm Sn thông thường và không có sản phẩm phụ nào (hiệu suất đạt 99% formate).

Để hiểu rõ phản ứng khử CO2 tăng cường này, các nhà khoa học chế tạo một chất xúc tác Sn, phủ bằng một polymer thu giữ CO2 khác (polyethyleneimine; PEI) có cấu trúc tương tác với CO2 khác PEG.

Sn phủ PEG hoạt động tốt hơn Sn phủ PEI. Khi xem xét những đặc tính hóa học của các polymer, các nhà khoa học nhận thấy, polymer PEI giữ các phân tử CO2 quá chặt, còn PEG đạt được sự cân bằng quan trọng trong thu giữ và sau đó giải phóng CO2 cho chất xúc tác Sn để chuyển hóa.

Nghiên cứu sinh TS Samuel Jeong thuộc nhóm nghiên cứu giải thích: “Mô hình hóa phản ứng này bằng những tính toán lý thuyết xác nhận polymer PEG tạo thuận lợi chuyển CO2 đến chất xúc tác trung tâm Sn, nhờ đó làm tăng tốc quá trình sản xuất formate. Nhưng chúng tôi muốn làm rõ hơn mối quan hệ tương tác PEG-CO2”.

Những tính toán chi tiết hơn cho thấy, không sử dụng polymer hạn chế khả năng thu nhận CO2 của chất xúc tác Sn, nhưng một lớp PEG quá dày sẽ ngăn cản chuyển CO2 đến bề mặt kim loại, làm giảm hiệu quả sản xuất formate. Do đó, một lớp PEG hoàn chỉnh nhưng đủ mỏng sẽ tối ưu hóa quá trình chuyển CO2 đến Sn, giúp duy trì môi trường giàu CO2 và ngăn cản sự hình thình sản phẩm phụ.

Kỹ thuật phủ chất xúc tác đơn giản của các nhà khoa học Nhật Bản có thể được sử dụng để phát triển những hệ thống tái chế hiệu quả CO2 thành các hợp chất hữu ích như formate, có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị pin nhiên liệu điện xanh.