Một nghiên cứu mới do nghiên cứu sinh tiến sĩ Xiao Lu thuộc Đại học Adelaide dẫn đầu đã khám phá cách các công nghệ chạy bằng năng lượng mặt trời có thể biến nhựa thải thành hydro, khí tổng hợp và nhiều hóa chất công nghiệp có giá trị khác, mở ra một hướng đi cho nền kinh tế tuần hoàn bền vững hơn.

Trên toàn cầu, mỗi năm có hơn 460 triệu tấn nhựa được sản xuất, trong đó hàng triệu tấn bị rò rỉ ra môi trường. Đồng thời, nhu cầu cấp bách trong việc giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đã thúc đẩy việc tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch hơn.

Nghiên cứu được công bố hôm nay trên tạp chí Chem Catalysis cho thấy nhựa — vốn giàu carbon và hydro — có thể được tái sử dụng như một nguồn tài nguyên chưa được khai thác thay vì bị coi là rác thải.

“Nhựa thường được xem là một vấn đề môi trường lớn, nhưng nó cũng đại diện cho một cơ hội đáng kể,” bà Lu cho biết. “Nếu chúng ta có thể chuyển đổi hiệu quả rác thải nhựa thành nhiên liệu sạch bằng ánh sáng mặt trời, chúng ta có thể giải quyết đồng thời vấn đề ô nhiễm và năng lượng.”

Quá trình này, được gọi là phản ứng quang tái chế (photoreforming) sử dụng năng lượng mặt trời, dùng các vật liệu hoạt hóa ánh sáng gọi là chất xúc tác quang (photocatalyst) để phân hủy nhựa ở nhiệt độ tương đối thấp. Các phản ứng này có thể tạo ra hydro — một loại nhiên liệu sạch không phát thải khí tại điểm sử dụng — cùng với các hóa chất có giá trị khác dùng trong công nghiệp.

Không giống như quá trình tách nước truyền thống để sản xuất hydro, phản ứng quang tái chế từ nhựa tiết kiệm năng lượng hơn vì nhựa dễ bị oxy hóa hơn, và quá trình này có tiềm năng khả thi hơn cho ứng dụng quy mô lớn.

Các nghiên cứu gần đây đã cho thấy những kết quả ấn tượng, theo tác giả chính là Giáo sư Xiaoguang Duan thuộc Trường Kỹ thuật Hóa học, Đại học Adelaide.

Các nhà nghiên cứu đã đạt được tốc độ sản xuất hydro cao, đồng thời tạo ra axit axetic và thậm chí là các hydrocarbon trong khoảng nhiên liệu diesel. Trong một số trường hợp, hệ thống chuyển đổi có thể hoạt động liên tục hơn 100 giờ, cho thấy độ ổn định và hiệu suất ngày càng tăng.

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra những thách thức đáng kể cần vượt qua trước khi công nghệ này có thể được triển khai rộng rãi.

“Một trở ngại lớn là bản chất phức tạp của rác thải nhựa,” Giáo sư Duan nói. “Các loại nhựa khác nhau phản ứng khác nhau trong quá trình chuyển đổi, và các chất phụ gia như thuốc nhuộm hoặc chất ổn định có thể gây cản trở quá trình. Do đó, việc phân loại và tiền xử lý hiệu quả là rất quan trọng để tối đa hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm.”

Một thách thức khác nằm ở thiết kế chất xúc tác quang. Những vật liệu này phải vừa có độ chọn lọc cao vừa bền vững, có khả năng chịu được điều kiện hóa học khắc nghiệt trong khi vẫn duy trì hiệu suất theo thời gian. Các hệ thống hiện tại có thể bị suy giảm, làm hạn chế khả năng sử dụng lâu dài.

“Vẫn còn một khoảng cách giữa thành công trong phòng thí nghiệm và ứng dụng thực tế,” Giáo sư Duan nói. “Chúng ta cần các chất xúc tác bền hơn và thiết kế hệ thống tốt hơn để đảm bảo công nghệ vừa hiệu quả vừa kinh tế khi mở rộng quy mô.”

Việc tách sản phẩm cũng là một vấn đề quan trọng. Quá trình chuyển đổi thường tạo ra hỗn hợp khí và chất lỏng, đòi hỏi các bước tinh chế tiêu tốn nhiều năng lượng, có thể làm giảm lợi ích bền vững tổng thể.

Để giải quyết các thách thức này, nhóm nghiên cứu kêu gọi một cách tiếp cận tích hợp hơn, kết hợp tiến bộ trong thiết kế chất xúc tác, kỹ thuật lò phản ứng và tối ưu hóa hệ thống. Các hướng tiếp cận mới bao gồm lò phản ứng dòng liên tục, hệ thống đa năng lượng kết hợp ánh sáng mặt trời với nhiệt hoặc điện, và các công nghệ giám sát quy trình thông minh hơn để nâng cao hiệu suất.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu đề xuất một lộ trình để mở rộng quy mô công nghệ, với các mục tiêu bao gồm nâng cao hiệu quả năng lượng và vận hành công nghiệp liên tục trong vài thập kỷ tới.

“Đây là một lĩnh vực rất thú vị và đang phát triển nhanh,” bà Lu nói. “Với sự đổi mới liên tục, chúng tôi tin rằng công nghệ biến nhựa thành nhiên liệu bằng năng lượng mặt trời có thể đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng một tương lai bền vững và ít carbon.”