Các nhà khoa học đã lần đầu quan sát trực tiếp quá trình carbon dioxide (CO₂) trong không khí chuyển hóa thành carbon rắn bên trong muối nóng chảy ở nhiệt độ 500°C.
Thí nghiệm cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi quá trình chuyển đổi hóa học ngay khi phản ứng đang diễn ra, qua đó làm sáng tỏ một cơ chế trước đây rất khó quan sát ở cấp độ phân tử.
Nhóm nghiên cứu có sự tham gia của các nhà khoa học đến từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, Đại học California, Berkeley (UC Berkeley) và Viện Vật lý Hóa học và Lý sinh học Quốc gia Estonia. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Quá trình này sử dụng kỹ thuật gọi là điện phân muối nóng chảy. Ở nhiệt độ cao, muối chuyển sang trạng thái lỏng và có khả năng dẫn điện giữa hai điện cực.
Khi CO₂ được đưa vào môi trường muối nóng chảy, dòng điện thúc đẩy quá trình điện hóa, tách oxy khỏi các hợp chất chứa carbon và tạo điều kiện để carbon lắng đọng thành vật liệu rắn trên điện cực âm.
Điểm đáng chú ý là các nhà khoa học không chỉ quan sát sản phẩm cuối cùng mà còn theo dõi được những bước trung gian của phản ứng. Đây là thông tin quan trọng để hiểu cách CO₂ có thể được chuyển đổi thành các vật liệu carbon có giá trị.
Trước đây, việc nghiên cứu quá trình này ở cấp độ phân tử gần như bất khả thi. Muối nóng chảy ở nhiệt độ cao có tính ăn mòn mạnh, đồng thời có thể nhanh chóng phá hủy các thiết bị quang học thông thường.
Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một buồng phản ứng đặc biệt được trang bị các thấu kính chịu nhiệt. Nhờ thiết kế này, kính hiển vi chuyên dụng có thể ghi lại dữ liệu hình ảnh liên tục ở 500°C trong khi phản ứng vẫn đang diễn ra.
“Đây là một bước tiến quan trọng trong nỗ lực lớn hơn nhằm tổng hợp các vật liệu quan trọng và vật liệu dùng cho pin bằng muối nóng chảy”, Mike Whittaker, nhà khoa học tại Berkeley Lab tham gia dự án, cho biết.
Quá trình chuyển đổi diễn ra qua hai giai đoạn
Hình ảnh ghi lại theo thời gian thực cho thấy quá trình chuyển hóa hóa học diễn ra qua hai giai đoạn riêng biệt.
CO₂ không lập tức biến thành carbon rắn. Thay vào đó, phản ứng trải qua một trạng thái hóa học trung gian trước khi carbon cuối cùng lắng đọng lên điện cực.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều loại hỗn hợp muối và vật liệu điện cực khác nhau để quan sát phản ứng thay đổi như thế nào.
Điều đáng chú ý là cơ chế phản ứng hai bước cơ bản vẫn được duy trì trong tất cả các tổ hợp vật liệu được thử nghiệm.
Tuy nhiên, việc thay đổi thành phần muối hoặc vật liệu điện cực lại làm thay đổi cấu trúc vật lý của lớp carbon được tạo ra. Các bề mặt điện cực khác nhau cùng những môi trường hóa học khác nhau khiến các nguyên tử carbon sắp xếp theo những dạng hình học khác nhau.
Đây chính là điểm có ý nghĩa lớn đối với việc tạo ra vật liệu carbon phục vụ ngành năng lượng.
“Nếu có thể thực hiện quá trình này ở nhiệt độ thấp hơn với những loại muối thực sự rẻ, công nghệ có thể được triển khai ở nhiều nơi và tạo ra đủ graphite để đưa trực tiếp vào chuỗi cung ứng pin”, ông Whittaker nói.
Khả năng kiểm soát cấu trúc vật lý của carbon là một trong những bước tiến kỹ thuật quan trọng nhất của nghiên cứu.
Graphite cấp pin đòi hỏi cấu trúc tinh thể rất đặc thù. Trong pin xe điện, các lớp carbon cần được sắp xếp với khoảng cách tương đối đồng đều để các ion mang điện có thể di chuyển qua lại một cách hiệu quả.
Do việc thay đổi vật liệu đầu vào có thể làm thay đổi cấu trúc carbon đầu ra, các nhà khoa học có thể tìm cách điều chỉnh hệ thống để tạo ra những dạng graphite phù hợp hơn với yêu cầu của ngành sản xuất pin.
Các nghiên cứu trước đây cũng cho thấy điện phân muối nóng chảy có tiềm năng chuyển CO₂ thành nhiều dạng vật liệu carbon khác nhau, trong đó có các vật liệu graphitic phục vụ lưu trữ năng lượng.
Những thách thức trước khi áp dụng rộng rãi
Dù kết quả đầy hứa hẹn, công nghệ vẫn còn phải vượt qua nhiều bài toán kỹ thuật trước khi có thể triển khai ở quy mô công nghiệp.
Hệ thống hiện tại vận hành ở khoảng 500°C, đồng nghĩa cần cung cấp năng lượng liên tục để duy trì muối ở trạng thái nóng chảy.
Nhóm nghiên cứu cho biết bước tiếp theo là xác định tổ hợp tối ưu giữa loại muối nóng chảy, vật liệu điện cực, nhiệt độ và điện áp nhằm tạo ra graphite cũng như các vật liệu carbon khác.
“Bước tiếp theo là xác định những tổ hợp tối ưu của muối nóng chảy, vật liệu điện cực, nhiệt độ và điện áp để tạo ra graphite và các vật liệu carbon khác”, nhóm nghiên cứu cho biết. Đồng thời, công nghệ cũng cần được mở rộng để có thể sản xuất những lượng vật liệu đủ lớn cho các ứng dụng công nghiệp.
Việc chuyển từ một buồng phản ứng có kích thước nhỏ sang một hệ thống phản ứng quy mô lớn sẽ không đơn giản. Các kỹ sư phải kiểm soát đồng thời dòng khí, sự phân bố nhiệt và mật độ dòng điện trên những bề mặt điện cực lớn hơn nhiều.
Đặc biệt, khi kích thước hệ thống tăng lên, việc duy trì điều kiện phản ứng đồng đều trên toàn bộ thiết bị sẽ trở thành một thách thức quan trọng.
Nếu những vấn đề này được giải quyết, công nghệ có thể mở ra một hướng tiếp cận đáng chú ý: biến CO₂ được thu giữ từ các nguồn phát thải công nghiệp thành carbon tổng hợp và graphite, thay vì chỉ lưu trữ hoặc thải lượng khí này ra môi trường.
Điều đó đồng nghĩa CO₂ có thể được xem như một nguyên liệu đầu vào cho ngành vật liệu, trong đó graphite là một sản phẩm đặc biệt đáng quan tâm bởi vai trò quan trọng của nó trong các hệ thống lưu trữ năng lượng và pin.
Tuy nhiên, từ một thí nghiệm được kiểm soát trong phòng nghiên cứu đến một quy trình có thể sản xuất hàng tấn vật liệu mỗi năm vẫn còn một khoảng cách rất lớn. Hiệu suất năng lượng, tuổi thọ điện cực, chi phí muối, khả năng kiểm soát chất lượng carbon và đặc biệt là khả năng vận hành ổn định ở quy mô lớn sẽ quyết định liệu công nghệ này có thể bước ra khỏi phòng thí nghiệm hay không.
Theo Nature, IE
