Khi biến đổi khí hậu tiếp tục leo thang và lượng khí thải carbon đạt mức cao kỷ lục, việc tìm ra những phương pháp hiệu quả để tái chế carbon dioxide (CO2) càng trở nên cấp thiết. Với phong trào toàn cầu hướng tới trung hòa carbon đang ngày càng phát triển, các phương pháp sáng tạo để biến CO2 thành nhiên liệu và hóa chất hữu ích đang được quan tâm.

Trong số đó, việc chuyển đổi CO2 thành các sản phẩm gốc cồn đặc biệt hứa hẹn do hàm lượng năng lượng cao và giá trị kinh tế của các hợp chất này. Tuy nhiên, quá trình này từ lâu đã bị cản trở do hiệu suất thấp và những thách thức trong việc mở rộng lên quy mô công nghiệp.

Nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Gwangju (GIST) tại Hàn Quốc đã đưa ra một phương pháp mới chuyển đổi CO2, không chỉ lập kỷ lục về hiệu suất vượt trội mà còn có thể sản xuất trên quy mô lớn. Kỹ thuật điện hóa này chuyển đổi CO2 thành “allyl alcohol”, hợp chất có giá trị cao với nhiều ứng dụng công nghiệp. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Catalysis.

Thách thức trong việc khử CO₂ thành các hợp chất giá trị cao

Công nghệ khử CO2 bằng điện hóa là công nghệ then chốt trong kỷ nguyên trung hòa carbon, có thể chuyển đổi CO2 (thủ phạm chính gây nóng lên toàn cầu) thành các chất hữu ích. Tuy nhiên, việc sản xuất có chọn lọc các hợp chất giá trị cao như hợp chất hữu cơ chứa ba hoặc nhiều nguyên tử carbon như ancol allyl, vấp phải một số thách thức. Thứ nhất, các phương pháp hiện tại cho hiệu suất Faraday rất thấp, chưa đến 15% điện năng thực sự được dùng để tạo ra hợp chất như mong đợi, trong khi phần còn lại bị lãng phí. Thứ hai, con đường phản ứng phức tạp và các chất trung gian có độ ổn định thấp, càng làm cho quy trình kém hiệu quả.

GS. Lee giải thích: “Ancol allyl (C3H6O) rất hữu ích cho nhiều phản ứng hóa học. Tuy nhiên, rất khó sản xuất các hợp chất giá trị gia tăng cao này ở dạng lỏng do sự hình thành liên kết carbon-carbon (C–C) phức tạp và độ ổn định thấp của chất trung gian phản ứng”.

Công nghệ do các nhà nghiên cứu phát triển rất đáng chú ý. Nhóm nghiên cứu đã tạo ra chất xúc tác đồng giàu phốt pho bằng cách tích hợp đồng photphua (CuP₂) vào cụm điện cực màng cùng với chất xúc tác oxy hóa niken-sắt (NiFe). Sử dụng chất xúc tác này trong môi trường điện hóa, các nhà khoa học đã đạt được hiệu suất Faraday 66,9%, cao hơn khoảng 4 lần so với công nghệ tốt nhất hiện có (<15%). Hiệu suất cao này chứng minh tính chọn lọc tuyệt vời của chất xúc tác, giúp giảm thiểu tạo ra các sản phẩm phụ không cần thiết và chỉ tạo ra chất như mong đợi theo cách có chọn lọc.

Ngoài ra, công nghệ này còn ghi nhận mật độ dòng điện cục bộ là 735,4 mA cm−2 và tốc độ sản xuất là 1643 μmol cm−2 h−1 trong một quy trình có thể áp dụng 1.100 mA cm−2 trên một đơn vị diện tích điện cực. Những số liệu này là mức hiệu suất cao nhất được báo cáo cho đến nay và cũng nhấn mạnh tiềm năng ứng dụng quy mô lớn của công nghệ.

Tầm quan trọng trong ngành công nghiệp và tác động rộng hơn

Vì cồn allyl được sử dụng làm nguyên liệu thô thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp như nhựa, chất kết dính, chất khử trùng và hương liệu, công nghệ này có thể là bước đột phá cho việc sản xuất hàng loạt.

Hơn nữa, phương pháp này cũng có cơ chế độc đáo. Trong khi các phương pháp thông thường hoạt động thông qua con đường carbon monoxit, phương pháp này đã khám phá ra một con đường phản ứng mới, trong đó liên kết carbon-carbon (C–C) được hình thành trong quá trình chuyển đổi nhóm trung gian từ formate thành formaldehyde. Cơ chế này làm tăng đáng kể giá trị thương mại của sản phẩm vì nó trực tiếp tạo ra chất lỏng, dễ dàng lưu trữ và vận chuyển.

Công nghệ này đánh dấu bước đột phá trong kỷ nguyên trung hòa carbon và được kỳ vọng sẽ mở ra những hướng đi mới cho công nghệ thu giữ và sử dụng carbon điện hóa tiết kiệm bằng cách chuyển đổi chọn lọc CO2 chỉ có một nguyên tử carbon thành allyl alcohol, hợp chất đa carbon có giá trị gia tăng cao (C3+) với ba hoặc nhiều nguyên tử carbon.

N.P.D (NASTIS), theo Scitechdaily,7/2025