Các nhà khoa học tìm ra cách biến CO₂ thành nguồn nhiên liệu có giá trị

Các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Yale và Đại học Missouri vừa công bố một phương pháp mới cho phép chuyển đổi khí carbon dioxide (CO₂) thành formate một cách hiệu quả, nhờ sử dụng chất xúc tác làm từ mangan. Đây là kim loại phổ biến, giá rẻ, trong khi formate từ lâu đã được nghiên cứu như một giải pháp tiềm năng để lưu trữ và giải phóng hydro cho các công nghệ pin nhiên liệu trong tương lai.

Nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Chem , do nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Justin Wedal (Yale) và nghiên cứu sinh Kyler Virtue (Đại học Missouri) dẫn dắt, với sự đóng góp chuyên môn của giáo sư Nilay Hazari (Yale) và giáo sư Wesley Bernskoetter (Missouri).

Pin nhiên liệu hydro tạo ra điện bằng cách chuyển đổi năng lượng hóa học được lưu trữ trong hydro – về nguyên lý khá giống với pin thông thường. Tuy nhiên, dù được đánh giá rất tiềm năng, công nghệ này vẫn gặp trở ngại lớn: làm sao sản xuất và lưu trữ hydro với chi phí thấp, hiệu quả và ở quy mô lớn.

“Việc tận dụng carbon dioxide đang trở thành ưu tiên hàng đầu, khi chúng ta tìm kiếm các nguồn nguyên liệu hóa học tái tạo để thay thế cho nguyên liệu có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch”, giáo sư Nilay Hazari, Chủ nhiệm khoa Hóa học tại Đại học Yale, cho biết.

Axit formic – dạng proton hóa của formate – hiện đã được sản xuất với số lượng lớn cho nhiều mục đích công nghiệp như bảo quản thực phẩm, xử lý kháng khuẩn hay thuộc da. Ngoài ra, các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu axit formic như một nguồn hydro tiềm năng cho pin nhiên liệu, miễn là nó có thể được sản xuất theo cách bền vững và khả thi.

Bài toán chất xúc tác: đắt đỏ, kém bền và độc hại

Hiện nay, việc sản xuất formate ở quy mô công nghiệp vẫn chủ yếu dựa vào nhiên liệu hóa thạch, nên không được xem là giải pháp bền vững về lâu dài. Theo các nhà nghiên cứu, hướng đi thân thiện với môi trường hơn là tạo formate trực tiếp từ CO₂ trong khí quyển, vừa giảm khí nhà kính vừa tạo ra sản phẩm có giá trị.

Tuy nhiên, quá trình này đòi hỏi phải có chất xúc tác phù hợp, và đây chính là thách thức lớn.

Nhiều chất xúc tác hiệu quả hiện nay sử dụng kim loại quý, vốn đắt đỏ, hiếm và có độc tính cao. Ngược lại, các kim loại phổ biến, bền vững và rẻ hơn thường lại kém hiệu quả, do dễ bị phân hủy, làm giảm khả năng chuyển đổi CO₂ thành formate.

Nhóm nghiên cứu của giáo sư Hazari đã đưa ra một cách tiếp cận mới để giải quyết vấn đề này.

Bằng cách cải tiến thiết kế ligand (ligand là các nguyên tử hoặc phân tử liên kết với kim loại và ảnh hưởng đến tính phản ứng), các nhà khoa học đã bổ sung thêm một nguyên tử cho ligand, giúp ổn định chất xúc tác mangan. Nhờ đó, tuổi thọ xúc tác được kéo dài đáng kể, thậm chí hiệu quả còn vượt qua nhiều chất xúc tác làm từ kim loại quý.

“Tôi thực sự hào hứng khi thấy thiết kế ligand mang lại hiệu quả rõ rệt đến như vậy”, Wedal chia sẻ.

Nhóm nghiên cứu cũng cho rằng phương pháp này không chỉ giới hạn ở việc chuyển CO₂ thành formate, mà còn có thể áp dụng cho nhiều phản ứng xúc tác khác, mở ra hướng đi mới cho hóa học bền vững và công nghệ năng lượng sạch.