Công nghệ dùng một vài nguyên tử có thể giúp chống biến đổi khí hậu

Phát hiện này mang lại khả năng giảm đáng kể lượng khí thải mê-tan. Nghiên cứu sâu hơn đang được tiến hành để thúc đẩy thương mại hóa công nghệ đầy hứa hẹn. 

Công nghệ Catalyst tiên phong

Theo một nghiên cứu gần đây, một chất xúc tác sử dụng một hoặc chỉ một vài nguyên tử palladi đã loại bỏ 90% khí mê-tan chưa cháy hết khỏi khí thải động cơ ở nhiệt độ thấp. Mặc dù cần phải nghiên cứu thêm, nhưng tiến bộ trong việc dùng nguyên tử đơn lẻ làm xúc tác có khả năng làm giảm lượng khí thải mêtan, một trong những loại khí nhà kính tồi tệ nhất (giữ nhiệt gấp khoảng 25 lần so với carbon dioxide).

Trên tạp chí Nature Catalysis, hai tổ chức Đại học Bang Washington và Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC đã công bố báo cáo chung cho thấy chất xúc tác đơn nguyên tử có thể loại bỏ khí mê-tan khỏi khí thải động cơ ở nhiệt độ thấp hơn, dưới 350 độ C, đồng thời duy trì sự ổn định của phản ứng ở nhiệt độ cao hơn.

Giáo sư Yong Wang tại Trường Kỹ thuật Hóa học và Kỹ thuật Sinh học cho biết: “Đó gần như là tiến bộ một cách thần kỳ đã vượt qua những thách thức mà con người đang phải đối mặt – tình trạng (chất xúc tác) không hoạt động ở nhiệt độ thấp và sự bất ổn định ở nhiệt độ cao”.

Những thách thức của động cơ khí đốt tự nhiên

Động cơ chạy bằng khí đốt tự nhiên được sử dụng trong khoảng 30 triệu đến 40 triệu xe trên toàn thế giới và phổ biến ở châu Âu và châu Á. Ngành công nghiệp khí đốt cũng sử dụng chúng để chạy máy nén khí bơm khí đốt tự nhiên đến nhà của mọi người. Chúng thường được coi là sạch hơn động cơ xăng hoặc dầu diesel, tạo ra ít ô nhiễm carbon và hạt hơn.

Tuy nhiên, khi các động cơ chạy bằng khí đốt tự nhiên khởi động, chúng thải ra khí mê-tan giữ nhiệt, không cháy hết vì cơ chế dùng chất xúc tác của chúng không hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp. Các chất xúc tác để loại bỏ khí mê-tan hoặc là không hiệu quả ở nhiệt độ thấp hơn hoặc chúng bị phân hủy ở nhiệt độ cao hơn.

Tầm quan trọng của việc kiểm soát khí mê-tan

Nhà khoa học Frank Abild-Pedersen tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC, cho biết: “Thế giới đang xu hướng to lớn hướng tới việc sử dụng khí đốt tự nhiên, nhưng khi bạn sử dụng thứ này cho động cơ đốt trong, sẽ luôn có lượng không cháy hết trong khí thải và bạn phải tìm cách loại bỏ chúng. Nếu không, bạn sẽ gây ra tình trạng nóng lên toàn cầu nghiêm trọng hơn. Nếu bạn có thể loại bỏ 90% khí mê-tan trong khí thải và giữ cho phản ứng ổn định, điều đó thật tuyệt vời”.

Loại bỏ khí mê-tan hiệu quả với các nguyên tử palladi đơn lẻ

Trong công trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã có thể chỉ ra rằng chất xúc tác của họ được tạo ra từ các nguyên tử palladi đơn lẻ có trong chất hỗ trợ oxit xeri đã loại bỏ hiệu quả khí mê-tan khỏi khí thải động cơ, ngay cả khi động cơ mới khởi động.

Họ phát hiện ra rằng một lượng carbon monoxide luôn có trong khí thải động cơ đóng vai trò chính trong việc luân chuyển các vị trí hoạt động cho phản ứng ở nhiệt độ phòng. Carbon monoxide đã giúp các nguyên tử đơn lẻ của palladi chuyển để tạo thành các cụm hai hoặc ba nguyên tử giúp phá vỡ hiệu quả các phân tử metan ở nhiệt độ thấp.

Sau đó, khi nhiệt độ khí thải tăng lên, các cụm có kích thước dưới nanomet lại phân tán thành các nguyên tử đơn lẻ một lần nữa để chất xúc tác ổn định nhiệt. Quá trình có thể đảo ngược này cho phép chất xúc tác hoạt động hiệu quả và sử dụng mọi nguyên tử palladi trong toàn bộ thời gian động cơ hoạt động – kể cả khi động cơ bắt đầu nguội.

Tiến tới thương mại hóa

Christopher Tassone, một nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC, đã ca ngợi giá trị của nghiên cứu trong việc giữ cho chất xúc tác palladi ổn định và có hoạt tính cao. Là người tham gia nghiên cứu, Tassone nói: “Chúng tôi thực sự có thể tìm ra cách giữ cho chất xúc tác palladi được hỗ trợ ổn định và có hoạt tính cao và nhờ chuyên môn đa dạng của các thành viên trong nhóm, công trình này mới thành công”.

Trong khi các nhà nghiên cứu tìm cách cải thiện hơn nữa công nghệ xúc tác và hiểu rõ hơn tại sao palladi hoạt động khác với các kim loại quý khác như platin, họ thừa nhận rằng nghiên cứu này còn một số tiềm năng để khai thác. Tuy nhiên, sự hợp tác đang được tiến hành với các đối tác trong ngành và Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương để đưa công nghệ đến gần hơn với thương mại hóa.

Palladi là một kim loại hiếm màu trắng bạc và bóng, được William Hyde Wollaston phát hiện năm 1803, ông cũng là người đặt tên cho nó là palladium theo tên gọi của Pallas, một tiểu hành tinh được đặt tên theo tên gọi tượng trưng của nữ thần Athena, có được sau khi vị nữ thần này giết chết thần khổng lồ Pallas. Ký hiệu cho palladi là Pd và số nguyên tử của nó là 46. Palladi cùng với platin, rhodi, rutheni, iridi và osmi tạo thành một nhóm các nguyên tố gọi chung là các kim loại nhóm platin (PGM). Các PGM chia sẻ các tính chất hóa học tương tự, nhưng paladi là kim loại có điểm nóng chảy thấp nhất và nhẹ nhất trong số các kim loại quý này. Đặc biệt, ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển, palladi có thể hấp thụ hydro tới 900 lần thể tích của nó, điều này làm cho palladi là chất lưu trữ hiệu quả và an toàn cho hydro và các đồng vị của hydro. Palladi cũng chống xỉn màu tốt, dẫn điện ổn định và khả năng chống ăn mòn hóa học cao cùng chịu nhiệt tốt.