Công nghệ loại bỏ 99% carbon dioxide ra khỏi không khí

Theo một nghiên cứu mới công bố trên Nature Energy, các kỹ sư ở Đại học Delaware (Hoa Kỳ) đã phát triển một hệ thống điện hóa mới chạy bằng nhiên liệu hydro có thể thu giữ hiệu quả 99% CO2 từ không khí. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc thu giữ CO2 và góp phần đưa các loại pin nhiên liệu (fuel cell) thân thiện môi trường tới gần hơn với thị trường.

Pin nhiên liệu hoạt động bằng cách biến đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng. Chúng có thể ứng dụng trong giao thông vận tải cho những chiếc xe hybird hoặc xe không phát thải.
GS. Yushan Yan (Đại học Delaware) đã dành nhiều thời gian để cải tiến các pin nhiên liệu có màng trao đổi bằng hydroxit (HEM), một loại pin thay thế có tính kinh tế và thân thiện với môi trường hơn so với những loại pin nhiên liệu dựa trên axit truyền thống hiện dùng.
Nhưng pin nhiên liệu HEM có một khuyết điểm khiến chúng chưa được đem ra sử dụng, đó là chúng cực kì nhạy cảm với CO2 trong không khí, khiến cho các phản ứng hóa học trong pin khó diễn ra hơn.
Điểm yếu này làm giảm hiệu quả của pin tới 20%, khiến pin nhiên liệu không tốt hơn động cơ xăng là mấy. Trong hơn 15 năm, nhóm nghiên cứu của GS. Yan đã đi tìm giải pháp cho câu hỏi hóc búa ấy. Vài năm trước, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng nhược điểm này có thể lại chính là một giải pháp để loại bỏ CO2. “Khi tìm hiểu về cơ chế này, chúng tôi nhận ra rằng pin nhiên liệu đang thu giữ mọi CO2 đi vào chúng, và chúng thật sự rất giỏi trong việc tách CO2 sang [điện cực] bên kia”, PGS. Brian Setzler, nhà nghiên cứu về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học, đồng tác giả của bài báo cho biết.
Mặc dù điều này không tốt cho pin nhiên liệu nhưng nhóm nghiên cứu biết rằng nếu họ có thể tận dụng quá trình “tự thanh lọc” này trong một thiết bị khác ở đầu nguồn, ngăn cách với bộ pin nhiên liệu, thì họ có thể biến nó thành một máy phân tách CO2.
“Hóa ra cách tiếp cận của chúng tôi rất hiệu quả. Chúng ta có thể thu giữ 99% lượng CO2 ra khỏi không khí trong một lượt nếu chúng ta có được một thiết kế và cấu hình phù hợp”, GS. Yan nói.
Cụ thể, họ đã tìm ra cách “nhúng” nguồn năng lượng cho công nghệ điện hóa vào trong các lớp màng tách biệt. Phương pháp này liên quan đến việc làm đoản mạch bên trong thiết bị.
“Nó khá nguy hiểm, nhưng chúng tôi đã kiểm soát được pin nhiên liệu đoản mạch này bằng hydro. Và bằng cách sử dụng những màng đoản mạch bên trong, chúng tôi có thể loại bỏ những cấu phần cồng kềnh như tấm lưỡng cực, bộ thu dòng điện hoặc các loại dây dẫn thường thấy trong một bộ pin nhiên liệu”, nghiên cứu sinh Lin Shi, tác giả chính của bài báo, cho biết.
Công nghệ này đã được cấp bằng sáng chế. Hiện tại, nhóm nghiên cứu đã có một thiết bị điện hóa trông như một màng lọc tách khí bình thường, nhưng có khả năng liên tục “gắp” lượng CO2 cực nhỏ ra khỏi không khí như một hệ thống điện hóa phức tạp.
Trên thực tế, việc đưa dây điện vào bên trong màng tạo đoản mạch đã giúp các hạt CO2 dễ dàng đi chuyển từ bên này sang bên kia. Nó cũng cho phép nhóm nghiên cứu xây dựng một module xoắn ốc gọn chặt, với diện tích bề mặt lớn và khối lượng nhỏ, có khả năng lọc được lượng khí nhiều hơn, khiến cho chúng hiệu quả và tiết kiệm cho những ứng dụng pin nhiên liệu. Trong khi đó, ít cấu phần hơn đồng nghĩa với việc phải bỏ ra ít chi phí hơn, và quan trọng hơn là giúp ứng dụng này dễ dàng mở rộng quy mô ra thị trường.
Kết quả của nhóm nghiên cứu cho thấy một tế bào điện hóa có kích thước 2x2 inch có thể liên tục loại bỏ khoảng 99% lượng CO2 trong dòng khí với tốc độ khoảng 2 lít/phút. Các nhà nghiên cứu cho biết nguyên mẫu thiết bị xoắn ốc ban đầu với kích thước bằng 1 lon soda có thể lọc được 10 lít không khí mỗi phút và loại bỏ 98% lượng CO2.
Nếu ứng dụng cho ô tô, thiết bị sẽ có kích thước gần bằng một can sữa, PGS. Setzler nói. Không chỉ vậy, nó cũng có thể là thiết bị loại bỏ CO2 hiệu quả trong tàu vũ trụ hoặc tàu ngầm, và tương lai xa có thể được sử dụng trong máy bay và các tòa nhà, giúp tiết kiệm năng lượng bằng biện pháp tuần hoàn không khí. 

Trang Linh lược dịch - Tạp chí Tia Sáng