Biến carbon monoxide thành nhiên liệu lỏng có giá trị

Quy trình điện hóa trong phòng thí nghiệm của các kỹ sư hóa học và phân tử sinh học Haotian Wang và Thomas Senftle của Trường Kỹ thuật Rice's Brown giải quyết các vấn đề với những nỗ lực trước đây nhằm khử carbon monoxide (CO) thành axit axetic. Các quy trình này yêu cầu các bước bổ sung để tinh chế sản phẩm.

Lò phản ứng thân thiện với môi trường sử dụng đồng hình khối kích thước nano làm chất xúc tác chính cùng với chất điện phân trạng thái rắn.

Trong 150 giờ hoạt động liên tục trong phòng thí nghiệm, thiết bị đã tạo ra dung dịch có tới 2% axit axetic trong nước. Thành phần axit có tới 98% tinh khiết, tốt hơn nhiều so với thành phần được tạo ra thông qua các nỗ lực xúc tác CO thành nhiên liệu lỏng trước đó.

Thông tin chi tiết xuất hiện trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia.

Cùng với giấm và các loại thực phẩm khác, axit axetic được sử dụng như một chất khử trùng trong các ứng dụng y tế; làm dung môi cho mực, sơn và chất phủ; và trong sản xuất vinyl axetat, tiền thân của keo trắng thông thường.

Quy trình Rice được xây dựng dựa trên lò phản ứng của phòng thí nghiệm Wang để sản xuất axit formic từ carbon dioxide (CO2). Nghiên cứu đó đã thiết lập nền tảng quan trọng giúp Wang, gần đây có tên là Packard Fellow, giành được khoản tài trợ 2 triệu USD của Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) để tiếp tục khám phá quá trình chuyển đổi khí nhà kính thành nhiên liệu lỏng.

Wang cho biết: “Chúng tôi đang nâng cấp sản phẩm từ hóa chất một cacbon, axit formic, thành hai cacbon, điều này khó khăn hơn. Theo truyền thống, người ta sản xuất axit axetic trong chất điện phân lỏng, nhưng họ vẫn gặp vấn đề về hiệu suất thấp cũng như việc tách sản phẩm ra khỏi chất điện phân."

“Tất nhiên, axit axetic thường không được tổng hợp từ CO hoặc CO2,” Senftle nói thêm. "Đó là chìa khóa ở đây: Chúng tôi đang sử dụng khí thải mà chúng tôi muốn giảm thiểu và biến chúng thành một sản phẩm hữu ích."

Cần phải có sự kết hợp cẩn thận giữa chất xúc tác đồng và chất điện phân rắn, chất sau được chuyển từ lò phản ứng axit formic. Wang nói: “Đôi khi đồng sẽ tạo ra hóa chất theo hai con đường khác nhau. Nó có thể khử CO thành axit axetic và rượu. Chúng tôi thiết kế các khối đồng chi phối bởi một khía cạnh có thể giúp kết hợp carbon-carbon này, với các cạnh hướng liên kết carbon-carbon về phía axit axetic thay vì các sản phẩm khác."

Các mô hình tính toán của Senftle và nhóm của ông đã giúp tinh chỉnh hệ số hình khối. Ông nói: “Chúng tôi đã có thể chỉ ra rằng có những loại cạnh trên hình khối, về cơ bản là các bề mặt gấp nếp hơn, tạo điều kiện phá vỡ một số liên kết CO dẫn hướng sản phẩm theo cách này hay cách khác. Có nhiều trang web cạnh tranh ủng hộ việc phá vỡ các liên kết phù hợp vào đúng thời điểm."

Senftle cho biết dự án là một minh chứng tuyệt vời về cách lý thuyết và thực nghiệm kết hợp với nhau. Ông nói: “Đó là một ví dụ điển hình về kỹ thuật ở nhiều cấp độ, từ việc tích hợp các thành phần trong lò phản ứng cho đến cơ chế ở cấp độ nguyên tử. Nó phù hợp với các chủ đề của công nghệ nano phân tử, cho thấy cách chúng ta có thể mở rộng quy mô nó lên các thiết bị trong thế giới thực."

Wang cho biết, bước tiếp theo trong quá trình phát triển một hệ thống có thể mở rộng là cải thiện tính ổn định của hệ thống và giảm hơn nữa lượng năng lượng mà quy trình yêu cầu.

Các sinh viên sau đại học Rice Peng Zhu, Chun-Yen Liu và Chuan Xia, Nghiên cứu sinh sau Tiến sĩ J. Evans Attwell-Welch, là đồng tác giả của bài báo. Đồng tác giả là nhà khoa học nghiên cứu Rice Guanhui Gao, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Xiao Zhang và nghiên cứu sinh Yang Xia; nguyên nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Rice Kun Jiang của Đại học Giao thông Thượng Hải, Trung Quốc; và nghiên cứu sinh Yongjiu Lei và Husam Alshareef, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật, tại Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah, Ả Rập Xê Út. Wang và Senftle là trợ lý giáo sư về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học.

NSF và Chương trình Học giả Toàn cầu CIFAR Azrieli đã hỗ trợ nghiên cứu.

Hoàng Nam dịch

Theo Science Daily