Cộng đồng khoa học đang nghiên cứu phát triển thế hệ tiếp theo của công nghệ thu giữ carbon, với chất hấp phụ rắn và màng cho thấy nhiều hứa hẹn. Những vật liệu này đòi hỏi ít năng lượng hơn và đã được sử dụng ở một số địa điểm có lượng khí thải CO2 tập trung. Vấn đề ngay lập tức đã thúc đẩy một số công ty bắt đầu phát triển các phương pháp khác, bao gồm việc sử dụng phương pháp phẫu thuật lạnh và các khuôn khổ hữu cơ kim loại để hấp thụ khí.
Phương pháp phát hiện liên kết mới rẻ hơn và hiệu quả hơn
Các nhà nghiên cứu của Đại học Colorado Boulder đã phát triển một công cụ mới có thể dẫn đến các công nghệ hiệu quả hơn và rẻ hơn để thu giữ các khí giữ nhiệt từ khí quyển và chuyển đổi chúng thành các chất có lợi – như nhiên liệu hoặc vật liệu xây dựng.
Công nghệ thu giữ carbon như vậy có thể cần thiết trên quy mô lớn để giới hạn mức cảnh báo toàn cầu trong thế kỷ này là 1,5 độ C so với nhiệt độ thời kỳ tiền công nghiệp và chống lại bất kỳ tác động thảm khốc nào. mức độ nghiêm trọng của biến đổi khí hậu toàn cầu. Phương pháp này dự đoán độ bền liên kết giữa CO2 và phân tử giữ nó, được gọi là chất kết dính. Chẩn đoán điện hóa này có thể dễ dàng áp dụng cho bất kỳ phân tử nào có xu hướng liên kết hóa học với cacbondioxit, cho phép nhà nghiên cứu xác định ứng cử viên phân tử phù hợp để thu CO2 từ không khí hàng ngày.
Oana Luca, đồng tác giả của nghiên cứu mới, cho biết: “Chén Thánh, nếu bạn muốn, sẽ cố gắng sử dụng một chất kết dính có thể thu giữ CO2 từ không khí (xung quanh chúng ta), không chỉ các nguồn tập trung. Việc xác định độ bền của chất kết dính cho phép chúng tôi tìm ra chất kết dính sẽ mạnh hay yếu, và xác định các ứng cử viên cho nghiên cứu trong tương lai để thu giữ cacbon trực tiếp từ các nguồn loãng. ” Mục tiêu của công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon là loại bỏ carbon dioxide khỏi khí quyển và lưu trữ nó một cách an toàn trong hàng trăm hoặc hàng nghìn năm.
Nhưng trong khi nó đã được sử dụng ở Mỹ từ những năm 1970, công nghệ này hiện chỉ thu giữ và lưu trữ 0,1% lượng khí thải carbon toàn cầu hàng năm. Để giúp đáp ứng các mục tiêu phát thải carbon được quy định quốc tế, việc thu giữ và lưu trữ carbon sẽ phải tăng nhanh về quy mô vào năm 2050. Nhiều cơ sở công nghiệp hiện có trên thế giới dựa vào việc thu giữ carbon dioxide từ một nguồn tập trung, chẳng hạn như khí thải từ các nhà máy điện.
Mặc dù các phương pháp này có thể liên kết nhanh chóng và hiệu quả nhiều carbon dioxide bằng cách sử dụng một lượng lớn chất kết dính hóa học nhất định, nhưng chúng cũng đặc biệt tiêu tốn nhiều năng lượng. Phương pháp này cũng khá tốn kém trên quy mô lớn để thu giữ carbon dioxide và biến nó thành một thứ hữu ích, chẳng hạn như cacbonat, một thành phần trong xi măng; Theo Luca, một chuyên gia tại Viện Năng lượng Tái tạo và Bền vững (RASEI), có thể sử dụng formaldehyde hoặc methanol làm nhiên liệu. Thay vào đó, việc sử dụng các phương pháp điện hóa, chẳng hạn như các phương pháp chi tiết trong nghiên cứu mới do Colorado Boulder dẫn đầu, sẽ giải phóng các cơ sở thu giữ carbon khỏi bị ràng buộc với các nguồn tập trung, cho phép chúng tồn tại ở hầu hết mọi nơi.
Theo đồng tác giả Haley Petersen, việc có thể dễ dàng ước tính độ bền của các liên kết hóa học cũng cho phép các nhà nghiên cứu sàng lọc loại chất kết dính nào phù hợp nhất – và đưa ra một giải pháp thay thế rẻ hơn cho các phương pháp truyền thống – để thu giữ và chuyển đổi carbon thành vật liệu hoặc nhiên liệu. Khoa học hóa học dựa trên một số dữ kiện cơ bản: Một là các phân tử được cấu tạo từ các nguyên tử, hai là chúng được quay quanh bởi các electron. Khi các nguyên tử liên kết với các nguyên tử khác, chúng tạo thành phân tử. Và khi các nguyên tử chia sẻ các electron với một nguyên tử khác, chúng hình thành thứ được gọi là liên kết cộng hóa trị.
Sử dụng điện, nhóm nghiên cứu đã có thể kích hoạt các liên kết này bằng cách sử dụng một điện cực để cung cấp một điện tử cho một phân tử. Khi họ làm điều đó với một phân tử imidazolium, giống như họ đã làm trong nghiên cứu này, một nguyên tử hydro sẽ bị loại bỏ, để lại một khoảng trống trong nguyên tử carbon cho một phân tử khác muốn liên kết với – chẳng hạn như carbon dioxide. Tuy nhiên, CO2 là một loại phân tử thường không thích tạo liên kết mới. Luca nói: “Nó thường không hoạt động, và để phản ứng với nó, bạn cũng phải bẻ cong nó. Vì vậy, chúng ta đang ở trong một không gian hóa học chưa thực sự được khám phá trước đây, để thu giữ CO2.
Phương pháp mà nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm xem toàn bộ họ cacbene (một loại phân tử cụ thể, chứa nguyên tử cacbon trung tính) có thể liên kết điện hóa với CO2 tốt như thế nào. Luca kết luận: “Chỉ cần nhìn vào những phân tử rất đơn giản – những phân tử mà chúng ta có thể tạo ra, có thể được sửa đổi – chúng ta có thể có được bản đồ năng lượng thu nhận carbon điện hóa. Bây giờ nó là một bước nhảy vọt nhỏ, nhưng nó có thể là một bước nhảy vọt lớn. ”
Tăng tốc tìm kiếm vật liệu thu giữ carbon
NIST – Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (thường được gọi là Viện Đo lường Quốc gia), là Phòng thí nghiệm Tiêu chuẩn Đo lường và là cơ quan không quản lý của Bộ Thương mại Hoa Kỳ. Trong nỗ lực giảm thiểu rủi ro do biến đổi khí hậu gây ra, một nhóm các nhà khoa học NIST đã bắt đầu khám phá vật liệu mới có thể hút CO2 làm ấm hành tinh ra khỏi bầu khí quyển, một kỹ thuật được gọi là “nhiếp ảnh”. không khí trực tiếp ”.
Các vật liệu chụp không khí trực tiếp đã tồn tại, nhưng chúng quá đắt hoặc quá tiêu tốn năng lượng để triển khai trên quy mô toàn cầu. Nhóm các nhà khoa học NIST sử dụng mô phỏng máy tính để sàng lọc nhanh chóng các vật liệu giả định chưa từng được tổng hợp nhưng có thể có các đặc tính vật lý phù hợp để làm cho công nghệ có thể mở rộng.
Kỹ sư hóa học Vincent Shen của NIST cho biết: “Cách truyền thống để sàng lọc vật liệu là tổng hợp chúng, sau đó kiểm tra chúng trong phòng thí nghiệm. Các mô phỏng trên máy tính giúp tăng tốc quá trình khám phá một cách đáng kể ”. Shen và các đồng nghiệp của ông cũng đang phát triển các phương pháp tính toán mới giúp tăng tốc độ tìm kiếm hơn nữa.
Shen nói: “Mục tiêu của chúng tôi là phát triển các phương pháp mô hình hóa hiệu quả hơn để trích xuất càng nhiều thông tin từ mô phỏng càng tốt. Bằng cách chia sẻ những phương pháp đó, chúng tôi hy vọng sẽ đẩy nhanh việc khám phá tính toán cho tất cả các nhà nghiên cứu làm việc trong lĩnh vực này ”. Việc thu nhận không khí trực tiếp là rất quan trọng vì loài người đã làm thay đổi sâu sắc bầu khí quyển của Trái đất – một phần ba tổng lượng CO2 trong không khí là kết quả của hoạt động của con người.
“Thu giữ carbon là một cách để đảo ngược một số lượng khí thải đó và giúp nền kinh tế trở nên trung hòa carbon nhanh chóng hơn,” nhà hóa học NIST Pamela Chu, người dẫn đầu sáng kiến thu giữ carbon cho biết. bình luận gần đây.
Nhóm các nhà khoa học của NIST đã sử dụng mô phỏng máy tính để tính toán ái lực của vật liệu thu nhận CO2 tiềm năng so với các khí khác trong khí quyển. Điều đó cho phép họ dự đoán vật liệu chụp sẽ hoạt động tốt như thế nào. Các mô phỏng cũng tạo ra hình ảnh cho thấy cách thức hoạt động của quá trình thu giữ carbon trên quy mô phân tử. Vật liệu tinh thể xốp cho thấy hứa hẹn đặc biệt để thu giữ CO2.
Những vật liệu này được tạo thành từ các nguyên tử sắp xếp theo mô hình 3-D lặp lại để lại khoảng trống giữa chúng. Các electron phân bố không đều trong cấu trúc tinh thể, tạo ra điện trường hấp dẫn ở một số nơi và lực đẩy ở những nơi khác. Các đường bao của trường đó phụ thuộc vào các loại nguyên tử trong tinh thể và sự sắp xếp hình học của chúng. Nếu tất cả các lực được tác dụng vừa phải, phân tử CO2 sẽ bị lực hút tĩnh điện hút vào khoảng trống của tinh thể.
Vật liệu tinh thể xốp có thể được tổng hợp với nhiều loại nguyên tử khác nhau, và các nguyên tử có thể được cấu hình thành nhiều dạng hình học khác nhau. Các hoán vị hầu như là vô tận. Mô phỏng máy tính cho phép các nhà khoa học khám phá vũ trụ rộng lớn của các khả năng.
Kỹ sư hóa học Daniel Siderius của NIST cho biết: “Chúng tôi có thể tưởng tượng ra những vật liệu chưa từng tồn tại và dự đoán chúng sẽ hoạt động như thế nào. Mô phỏng máy tính kết hợp các quy tắc vật lý và phương pháp thống kê để dự đoán hướng các phân tử CO2 sẽ chuyển động khi chúng tiếp xúc với vật liệu bắt giữ – liệu chúng sẽ bị hút vào khoảng trống, khuếch tán vào không khí xung quanh hay chỉ văng ra xung quanh một cách ngẫu nhiên ở trạng thái cân bằng.
Hầu hết các phương pháp mô phỏng dự đoán hoạt động của một hệ thống ở nhiệt độ, áp suất và mật độ nhất định. Nhưng các phương pháp mô hình hóa từ NIST cho phép nhóm ngoại suy dữ liệu đó trong các điều kiện khác nhau. Siderius giải thích: “Giả sử bạn đã ước tính hành vi ở một nhiệt độ này, nhưng bạn muốn biết điều gì xảy ra ở nhiệt độ khác. Thông thường bạn sẽ phải chạy một mô phỏng mới. Với hệ thống công cụ của chúng tôi, bạn có thể ngoại suy các nhiệt độ khác nhau mà không cần phải chạy một mô phỏng mới. Điều đó có thể tiết kiệm rất nhiều thời gian tính toán ”.
Hiện tại, quy trình hiệu quả nhất để thu giữ carbon quy mô công nghiệp hoạt động bằng cách làm sủi bọt khí thông qua một dung dịch hóa học. Nhưng thu giữ CO2 chỉ là một nửa quá trình. Sau đó CO2 phải được loại bỏ khỏi dung dịch để nó có thể được lưu trữ và như vậy dung dịch có thể được sử dụng trở lại. Điều này đòi hỏi phải làm nóng dung dịch đến nhiệt độ cao, tiêu tốn nhiều năng lượng.
Nhóm nghiên cứu của NIST hy vọng sẽ tìm ra một loại vật liệu có thể tách CO2 từ khí quyển ở nhiệt độ và áp suất bình thường nhưng giải phóng nó dưới những thay đổi tương đối nhỏ về nhiệt hoặc áp suất. Quy trình lý tưởng sẽ có chi phí thấp – cả về tài chính và năng lượng – và không tạo ra các sản phẩm cuối cùng độc hại.
