Các nhà khoa học tại Northwestern University (Mỹ) vừa phát triển một thiết bị điện phân có khả năng biến khí thu được từ rác thải nhựa thành ethylene – nguyên liệu cốt lõi để sản xuất nhựa – với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn đáng kể. Công trình được công bố trên tạp chí Nature Energy, mở ra hướng đi mới nhằm giảm phát thải carbon trong ngành hóa chất.

Ethylene là một trong những hóa chất được sản xuất nhiều nhất thế giới, với sản lượng toàn cầu vượt 300 triệu tấn mỗi năm. Tuy nhiên, quá trình sản xuất hiện nay thải ra lượng CO₂ gần tương đương khối lượng ethylene tạo thành. Phần lớn ethylene được sản xuất bằng phương pháp “steam cracking” – nung dầu thô ở nhiệt độ rất cao để bẻ gãy các phân tử lớn thành phân tử nhỏ hơn. Dù hiệu quả về mặt công nghiệp, công nghệ này phụ thuộc nặng nề vào nhiên liệu hóa thạch và tiêu tốn nhiều năng lượng.

Hình minh họa: scitechdaily.com

Nhóm nghiên cứu do giáo sư Ted Sargent dẫn đầu đã chọn cách tiếp cận khác: sử dụng khí tổng hợp (syngas) – hỗn hợp carbon monoxide (CO) và hydrogen (H₂) – được tạo ra khi khí hóa rác thải nhựa trong môi trường thiếu oxy. So với CO₂, syngas có cấu trúc hóa học gần với ethylene hơn, nhờ đó việc chuyển đổi sang ethylene cần ít năng lượng hơn.

Thiết bị điện phân mới sử dụng điện – lý tưởng nhất là từ nguồn tái tạo như mặt trời hoặc gió – để thúc đẩy phản ứng hóa học. Thay vì dùng dung dịch nước muối như các hệ thống truyền thống, nhóm nghiên cứu thiết kế một hệ “khí – khí”, trong đó CO được đưa vào cực âm và hydrogen vào cực dương.

Ban đầu, hệ thống không hoạt động hiệu quả. Sau nhiều thử nghiệm, nhóm phát hiện phản ứng cần các ion dương từ muối để ổn định các chất trung gian. Giải pháp đến từ một vật liệu đặc biệt mang tên sodium polyacrylate (PANa). Vật liệu này tạo ra một “vi môi trường” giống như dung dịch muối lỏng nhưng không cần nước, giúp giảm điện áp cần thiết và nâng cao hiệu suất.

Kết quả cho thấy thiết bị mới hiệu quả hơn hơn 60% so với các công nghệ điện hóa trước đây chuyển CO₂ thành ethylene. Đồng thời, hệ thống có thể vận hành linh hoạt với nguồn điện tái tạo vốn không ổn định.

Mục tiêu dài hạn của nhóm là xây dựng một chuỗi cung ứng tuần hoàn: rác thải nhựa được chuyển thành syngas, syngas thành ethylene, và ethylene tiếp tục được dùng để sản xuất nhựa mới – tất cả dựa trên điện tái tạo thay vì nhiên liệu hóa thạch.

Trong thời gian tới, các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục giảm mức tiêu thụ năng lượng, ứng dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu chất xúc tác và hướng tới mở rộng quy mô công nghiệp. Nếu thành công, công nghệ này có thể góp phần đáng kể vào việc giảm dấu chân carbon của ngành hóa chất toàn cầu.

nttvy (https://scitechdaily.com)