Năng lực bắt carbon của cấu trúc hóa học tăng gấp đôi
Các nhà khoa học trường đại học bang Oregon đã tìm ra một cách mới làm tăng gấp đôi năng lực của một cấu trúc hóa học có thể hữu dụng cho xử lý carbon dioxide phát thải từ các nhà máy.
Nghiên cứu này, bao gồm vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs), được đánh giá là quan trọng bởi vì các hoạt động sản xuất, cùng với việc đốt nhiên liệu hóa thạch để tạo ra năng lượng, đóng góp một phần đáng kể vào khí nhà kính trong bầu khí quyển trái đất. Ở Mỹ, 16% tổng số phát thải carbon dioxide là từ ngành công nghiệp, theo thông tin từ Cơ quan Bảo vệ môi trường.
Các nhà nghiên cứu OSU do Kyriakos Stylianou của trường Khoa học dẫn dắt đã tìm hiểu vật liệu MOF chứa đồng và phát hiện ra hiệu quả của nó trong việc hấp thụ carbon dioxide đã tăng gấp đôi ngay khi được đưa vào nơi có khí ammonia.
Nghiên cứu này được xuất bản trên tạp chí JACS Au.
“Việc bắt CO2 là một mục tiêu quan trọng để giúp đạt được các mục tiêu đưa phát thải về không”, Stylianou, phó giáo sư hóa học, nói. “MOFs đã chứng tỏ có nhiều hứa hẹn bởi vì các lỗ rỗng và sự linh hoạt trong cấu trúc của nó”.
MOFs là nhũng vật liệu tinh thể được làm từ các ion kim loại tích điện dương được bao quanh bởi các phân tử “cầu nối’ hữu cơ như các phối tử. Các ion kim loại tạo ra các nút liên kết với các cánh tay của các cầu nối nhằm hình thành một cấu trúc lặp lại nhìn giống như một cái lồng; cấu trúc này có các lỗ rỗng ở kích thước nano có khả năng hấp thụ khí, tương tự như một tấm xốp.
MOFs có thể được thiết kế với vô số các thành phân, vốn xác định các đặc tính của vật liệu MOF, và có hàng triệu khả năng tạo thành các vật liệu MOF, Stylianou nói. Hơn 100.000 dạng vật liệu MOF đã được các nhà hóa học tổng hợp và các đặc tính của hàng trăm ngàn loại MOF khác đã được dự đoán.
Thêm vào khả năng bắt carbon dioxide và các dạng khí khác, vật liệu MOFs có thể hữu dụng như các chất xúc tác và để lưu trữ năng lượng, vận chuyển thuốc, làm tinh khiết nước.
Khi được đưa vào một kh vực chứa khí ammonia, vật liệu MOF trong nghiên cứu của Oregon là mCBMOF-1 đã chứng tỏ khả năng bắt carbon lớn hơn so với những chất hấp thụ truyền thống chứa amine mà hiện nay đang được sử dụng rộng rãi để bắt carbon dioxide tỏng những ứng dụng công nghiệp. So với chất hấp thụ chứa amine, vật liệu MOFs bền hon và có thể tái sử dụng với năng lượng ít hơn – trong trường hợp này, bằng việc nhấn chìm trong nước.
“Vật liệu MOF hoạt động bằng việc loại các phân tử nước cho phơi lộ bốn vị trí chứa đồng được mở”, Stylianou nói. “Sau đó chúng tôi đưa vào khí ammonia, vốn là nguyên nhân khiến một phân tử ammonia thay thế một trong bốn bị trí đó. Các vị trí còn lại hút CO2, kích thích tương tác với ammonia để hình thành các dạng carbamat”.
Các carbamate – những hợp chất được sử dụng trong ngành công nghiệp, nông nghiệp và dược phẩm – đã được phát thải trong việc nhận chìm trong nước để tái tạo cấu trúc ban đầu của MOF, khiến cho nó có thể được tái sử dụng bắt carbon.
Phát hiện này nhấn mạnh vào các cấu trúc MOF có thể được thiết kế để hướng đến các nhóm chức năng để tăng cường phản ứng của chúng với các phân tử đích cụ thể, như carbon dioxide, Stylianou nói; các chiến lược tương tự có thể được ứng dụng cho các loại vật liệu MOFs và các khí khác.
“Việc sử dụng chức năng hóa lỗ rỗng tuần tự để tăng cường khả năn bắt CO2 mà không làm tăng nhu cầu năng lượng trong nghiên cứu của chúng tôi là một phát triển rất tuyệt vời”, anh nói. “Sự hình thành phức chất acid đồng – carbamic bên trong các lỗ rỗng cho thấy các phản ứng mạnh và có chọn lọc với CO2, vốn là điều quan trọng để đảm bảo việc hấp thụ CO2 vượt trội so với các loại khí phát thải từ công nghiệp”.
Những người tham gia vào nghiên cứu ở trường đại học bang Oregon là sinh viên tốt nghiệp Ankit Yadav, postdoct Andrzej Gladysiak, cũng như các nhà nghiên cứu trường đại học California, Berkeley, trường đại học Normal Nam Kinh và Viện Khoa học vật liệu Barcelona.
Thanh Lan dịch từ Oregon State University
