Các tấm quang điện cũ, lỗi thời trong sân nhà máy. (Ảnh minh họa)

Một nhóm các nhà hóa học từ Đại học Quốc gia Yokohama, Công ty Phát triển Điện lực (Electric Power Development Co., Ltd.), và Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Tái tạo tại Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia Nhật Bản (AIST) đã chia sẻ nghiên cứu mới về việc chuyển đổi CO2 thành các hợp chất có giá trị.

Nghiên cứu của họ nhấn mạnh việc sử dụng các tấm wafer silicon được thu hồi từ những tấm quang điện bị loại bỏ như một vật liệu quan trọng trong quá trình chuyển đổi.

Ken Motokura, giáo sư hóa học tại Đại học Quốc gia Yokohama và là tác giả chính của bài báo, cho biết: “Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã kết hợp việc tái chế các tấm wafer silicon thải ra từ các tấm quang điện hết hạn sử dụng với việc chuyển đổi CO2 trong khí thải từ một nhà máy nhiệt điện. Tấm wafer silicon thải loại hoạt động như một chất khử để biến CO2 thành các hợp chất hữu cơ.”

Khí thải nhà máy điện trở thành nguyên liệu hóa học

CO2 là loại khí nhà kính điển hình gây ra biến đổi khí hậu. Việc thu giữ và lưu trữ carbon từ lâu đã là mục tiêu của giới khoa học, nhưng nghiên cứu mới này đã tiến một bước xa hơn - bằng cách chuyển hóa nó thành một thứ có giá trị.

Trong trường hợp này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng khí thải thực tế từ một nhà máy nhiệt điện, chứa khoảng 14% CO2, và kết hợp nó với nước, một chất xúc tác gọi là tetrabutylammonium fluoride, và bột silicon tái chế.

Bột silicon này được nghiền từ các tấm wafer quang điện, sau đó được xử lý bằng axit clohydric (HCl) để nâng cao hiệu suất. Quá trình tiền xử lý này đã loại bỏ tạp chất nhôm trên bề mặt wafer, giúp tối ưu hóa hiệu quả phản ứng.

Ông Motokura giải thích: “Chúng tôi đã chuyển đổi trực tiếp CO2 trong khí thải, vốn chứa 14% CO2 theo thể tích, từ một nhà máy nhiệt điện thành axit formic và formamide thông qua một phản ứng với bột silicon tái chế, nước, và chất xúc tác tetrabutylammonium fluoride”.

“Không cần phải tách và tinh chế CO2 từ khí thải. Nhôm (Al) bị lẫn vào trong bột silicon thải làm giảm tốc độ phản ứng, nên việc tiền xử lý phù hợp bằng HCl giúp tăng cường khả năng phản ứng của silicon thải.”

Axit formic và formamide: Những hóa chất có giá trị

Kết quả của phản ứng này rất ấn tượng. Nhóm nghiên cứu đã sản xuất được axit formic với hiệu suất lên tới 73%. Axit formic được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp, từ nông nghiệp đến dệt may. Bên cạnh đó, quá trình này cũng tạo ra formamide, một hợp chất được sử dụng trong ngành dược phẩm và sản xuất hóa chất.

Có thể thực hiện được sự biến đổi hóa học này là nhờ khả năng cho đi electron tự nhiên của silicon. Khi CO2 tương tác với silicon đã được tiền xử lý, những electron dư thừa sẽ giúp phá vỡ và tái cấu trúc các phân tử thành những dạng phức tạp và hữu ích hơn.

Đáng chú ý, phản ứng này được thực hiện dễ dàng, không đòi hỏi phải có nhiệt độ hoặc áp suất cực cao thì mới diễn ra được.

Điểm khác biệt của phương pháp này là nó không cần CO2 tinh khiết. Các nhà nghiên cứu đã trực tiếp sử dụng khí thải từ nhà máy điện, cho thấy kỹ thuật này có thể hoạt động trong môi trường thực tế mà không cần đến các thiết bị tách khí đắt tiền.

Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA) dự đoán rằng sẽ có từ 60 đến 78 triệu tấn tấm quang điện hết hạn sử dụng vào năm 2050. Nếu không có hệ thống tái chế phù hợp, có thể sẽ phải chôn lấp phần lớn các vật liệu đó. Trong khi đó, lượng khí thải CO2 toàn cầu vẫn là một mối lo ngại lớn về khí hậu.

Phương pháp mới này giải quyết cả hai vấn đề cùng một lúc. Nó biến hai dạng chất thải - khí thải CO2 và các tấm quang điện cũ - thành một nguồn cung hóa chất công nghiệp. Điều đó có nghĩa là ít khí thải hơn, ít rác thải chôn lấp hơn, và thu hồi được nhiều giá trị hơn từ các vật liệu bị loại bỏ.