Hình ảnh mô tả một sợi carbon hoạt tính được biến tính bằng các nhóm amin (–NH2) ở các vị trí liền kề. Nguồn ảnh: Phó Giáo sư Yasuhiro Yamada từ Đại học Chiba, Nhật Bản.

Bước đột phá trong công nghệ thu giữ carbon giá rẻ

Ngăn chặn khí carbon dioxide (CO₂) trước khi nó xâm nhập vào khí quyển là một cách quan trọng để giảm phát thải khí nhà kính. Mặc dù công nghệ thu giữ carbon đã tồn tại nhiều năm, nhưng nó chưa được áp dụng rộng rãi vì hầu hết các hệ thống đều tốn kém và kém hiệu quả. Một phương pháp công nghiệp phổ biến, phương pháp hấp thụ bằng amin trong dung dịch nước, đòi hỏi phải đun nóng một lượng lớn chất lỏng đến nhiệt độ trên 100°C để giải phóng CO₂ đã thu giữ và tái sử dụng dung dịch. Nhu cầu năng lượng cao này làm tăng chi phí vận hành và gây khó khăn cho việc sử dụng trên quy mô lớn.

Vật liệu carbon rắn đã thu hút sự chú ý như một lựa chọn thiết thực hơn. Những vật liệu này tương đối rẻ và có diện tích bề mặt lớn cho phép chúng giữ lại CO₂ và giải phóng khí này bằng cách sử dụng ít nhiệt hơn, đặc biệt là khi chúng chứa các nhóm chức dựa trên nitơ. Tuy nhiên, vẫn còn một hạn chế quan trọng. Các phương pháp sản xuất truyền thống đặt các nhóm nitơ này một cách ngẫu nhiên trên vật liệu, khiến việc xác định chính xác những sắp xếp cụ thể nào dẫn đến hiệu suất tốt hơn trở nên khó khăn.

Để giải quyết thách thức này, một nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Yasuhiro Yamada từ Trường Cao học Kỹ thuật và Phó Giáo sư Tomonori Ohba từ Trường Cao học Khoa học thuộc Đại học Chiba, Nhật Bản, dẫn đầu, đã phát triển một loại vật liệu carbon mới có tên gọi là 'viciazit'. Các vật liệu này được thiết kế với các nhóm nitơ được đặt cạnh nhau một cách có kiểm soát. Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Carbon , có sự tham gia của ông Kota Kondo, cũng đến từ Đại học Chiba.

Xây dựng Viciazit với sự kết hợp nitơ được kiểm soát

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra ba phiên bản khác nhau của viciazite, mỗi phiên bản có một cấu hình nitơ lân cận độc đáo. Để tạo ra các nhóm amin bậc nhất liền kề (-NH₂ ) , trước tiên họ nung nóng một hợp chất gọi là coronene, sau đó xử lý nó với brom, tiếp theo là khí amoniac. Phương pháp ba bước này đạt được độ chọn lọc 76%, nghĩa là hầu hết các nguyên tử nitơ được đặt ở vị trí mong muốn.

Hai vật liệu bổ sung đã được tạo ra bằng cách sử dụng các hợp chất ban đầu khác nhau. Một vật liệu có nitơ pyrrolic liền kề với độ chọn lọc 82%, trong khi vật liệu kia chứa nitơ pyridinic liền kề với độ chọn lọc 60%.

Xác minh cấu trúc và kiểm tra hiệu năng

Mỗi loại vật liệu được phủ lên sợi carbon hoạt tính để tạo ra các mẫu thử nghiệm. Nhóm nghiên cứu đã xác nhận vị trí chính xác của các nhóm nitơ bằng các kỹ thuật như quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân, quang phổ quang điện tử tia X và mô hình hóa tính toán. Các phương pháp này đã chứng minh rằng các nguyên tử nitơ được đặt cạnh nhau chứ không phải phân bố ngẫu nhiên.

Khi được thử nghiệm, các vật liệu cho thấy sự khác biệt rõ rệt về hiệu suất. Các mẫu có nhóm -NH2 liền kề và nitơ pyrrolic hấp thụ nhiều CO2 hơn so với sợi carbon chưa qua xử lý. Ngược lại, cấu hình nitơ pyridinic hầu như không mang lại sự cải thiện nào.

Việc thải CO2 ở nhiệt độ thấp có thể giúp giảm lượng tiêu thụ năng lượng

Phát hiện đáng chú ý nhất liên quan đến khả năng giải phóng CO2 dễ dàng của các vật liệu này . "Đánh giá hiệu suất cho thấy rằng trong các vật liệu carbon có nhóm NH2 được đưa vào liền kề, hầu hết CO2 hấp phụ sẽ được giải phóng ở nhiệt độ dưới 60°C. Bằng cách kết hợp đặc tính này với nhiệt thải công nghiệp, có thể đạt được các quy trình thu giữ CO2 hiệu quả với chi phí vận hành giảm đáng kể", Tiến sĩ Yamada nhấn mạnh.

Vật liệu chứa nitơ pyrrolic cần nhiệt độ cao hơn để giải phóng CO2 , nhưng nó có thể mang lại độ ổn định lâu dài tốt hơn nhờ cấu trúc hóa học bền vững hơn.

Một hướng đi mới hướng tới việc thu giữ carbon hiệu quả về chi phí

Nghiên cứu này cho thấy việc sắp xếp các nhóm nitơ theo các mô hình liền kề cụ thể có thể được thực hiện một cách đáng tin cậy, cung cấp một chiến lược rõ ràng để thiết kế các vật liệu thu giữ carbon được cải tiến. "Động lực của chúng tôi là đóng góp cho xã hội tương lai và sử dụng các vật liệu carbon có cấu trúc được kiểm soát mà chúng tôi mới phát triển gần đây. Nghiên cứu này cung cấp các con đường đã được xác thực để tổng hợp các vật liệu carbon pha tạp nitơ được thiết kế, mang lại khả năng kiểm soát ở cấp độ phân tử cần thiết để phát triển các công nghệ thu giữ CO2 thế hệ tiếp theo, tiết kiệm chi phí và tiên tiến " , Tiến sĩ Yamada kết luận.

Ngoài khả năng hấp thụ CO2, các vật liệu viciazite này cũng có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác, bao gồm loại bỏ các ion kim loại hoặc đóng vai trò là chất xúc tác, nhờ vào các đặc tính bề mặt có thể tùy chỉnh của chúng.