Công Nghệ & Ứng Dụng

Liệu ánh sáng mặt trời có thể chuyển đổi khí thải thành vật liệu hữu ích không?

Wikicabinet – Kênh thông tin tri thức nhân loại kính chào quý độc giả ở kỳ trước chúng tôi đã giới thiệu các chủ đề về:

Năng lượng cho tương lai (Kỳ 3)

Kỳ này wikicabinet xin giới thiệu đến độc giả một chủ đề thú vị về Liệu ánh sáng mặt trời có thể chuyển đổi khí thải thành vật liệu hữu ích không? Mời quý độc giả đón theo dõi chủ đề này cùng wikicabinet nhé.

Các kỹ sư hóa học USC Viterbi đang phát triển một cách thân thiện với môi trường để tăng lượng khí thải carbon dioxide thành polyme và các vật liệu khác, với sự trợ giúp của một nhà nghiên cứu học sinh trung học

Shaama Sharada gọi carbon dioxide – tác nhân tồi tệ nhất của sự nóng lên toàn cầu – là một “phân tử rất ổn định”.

Cô ấy đặt mục tiêu thay đổi điều đó.

Được công bố gần đây trên Tạp chí Hóa lý A , Sharada và một nhóm các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật USC Viterbi đang tìm cách phá vỡ CO2 và chuyển đổi khí nhà kính thành các vật liệu hữu ích như nhiên liệu hoặc sản phẩm tiêu dùng từ dược phẩm đến polyme.

Thông thường, quá trình này đòi hỏi một lượng năng lượng rất lớn. Tuy nhiên, trong nghiên cứu tính toán đầu tiên thuộc loại này, Sharada và nhóm của cô đã tranh thủ được một đồng minh bền vững hơn: mặt trời.

Cụ thể, họ đã chứng minh rằng tia cực tím (UV) có thể rất hiệu quả trong việc kích thích một phân tử hữu cơ, oligophenylene. Khi tiếp xúc với tia UV, oligophenylene trở thành một “anion” tích điện âm, dễ dàng chuyển các điện tử đến phân tử gần nhất, chẳng hạn như CO2 – do đó làm cho CO2 phản ứng và có thể bị khử và chuyển đổi thành những thứ như nhựa, thuốc hoặc thậm chí là đồ nội thất.

Sharada cho biết: “Khí CO2 nổi tiếng là khó giảm, đó là lý do tại sao nó tồn tại hàng chục năm trong khí quyển. “Nhưng anion mang điện tích âm này có khả năng khử ngay cả một thứ ổn định như CO2, đó là lý do tại sao nó có triển vọng và tại sao chúng tôi đang nghiên cứu nó.”

Nồng độ carbon dioxide ngày càng tăng nhanh trong khí quyển trái đất là một trong những vấn đề cấp bách nhất mà nhân loại phải giải quyết để tránh thảm họa khí hậu.

Kể từ khi bắt đầu thời đại công nghiệp, con người đã làm tăng lượng CO2 trong khí quyển lên 45%, thông qua việc đốt nhiên liệu hóa thạch và các khí thải khác. Do đó, nhiệt độ trung bình toàn cầu hiện nay ấm hơn hai độ C so với thời kỳ tiền công nghiệp. Nhờ các khí nhà kính như CO2, nhiệt từ mặt trời được giữ lại trong bầu khí quyển của chúng ta, làm ấm hành tinh của chúng ta.

Nhóm nghiên cứu từ Khoa Kỹ thuật Hóa học và Khoa học Vật liệu của Gia đình Mork do Tiến sĩ năm thứ ba dẫn đầu. sinh viên Kareesa Kron, được giám sát bởi Sharada, một Trợ lý Giáo sư WISE Gabilan. Công trình được đồng tác giả bởi Samantha J. Gomez từ Trường Trung học Francisco Bravo Medical Magnet, người đã tham gia Chương trình Nhà nghiên cứu Trẻ của USC, cho phép học sinh trung học từ các khu vực ít đại diện tham gia nghiên cứu STEM.

Nhiều nhóm nghiên cứu đang xem xét các phương pháp chuyển đổi CO2 được thu giữ từ khí thải thành nhiên liệu hoặc nguyên liệu thô dựa trên carbon cho các sản phẩm tiêu dùng, từ dược phẩm đến polyme.

Quy trình truyền thống sử dụng nhiệt hoặc điện cùng với chất xúc tác để tăng tốc độ chuyển hóa CO2 thành sản phẩm. Tuy nhiên, nhiều phương pháp trong số này thường tiêu tốn nhiều năng lượng, điều này không lý tưởng cho một quy trình nhằm giảm tác động đến môi trường. Thay vào đó, sử dụng ánh sáng mặt trời để kích thích phân tử chất xúc tác vì nó tiết kiệm năng lượng và bền vững.

Sharada cho biết: “Hầu hết các cách khác để làm điều này liên quan đến việc sử dụng các hóa chất làm từ kim loại, và những kim loại đó là kim loại đất hiếm. “Chúng có thể đắt tiền, khó tìm và có khả năng gây độc.”

Sharada cho biết giải pháp thay thế là sử dụng các chất xúc tác hữu cơ gốc carbon để thực hiện quá trình chuyển đổi nhờ ánh sáng này. Tuy nhiên, phương pháp này đưa ra những thách thức riêng mà nhóm nghiên cứu muốn giải quyết. Nhóm nghiên cứu sử dụng các mô phỏng hóa học lượng tử để hiểu cách các electron di chuyển giữa chất xúc tác và CO2 để xác định chất xúc tác khả thi nhất cho phản ứng này.

Sharada cho biết công trình này là nghiên cứu tính toán đầu tiên thuộc loại này, trong đó các nhà nghiên cứu trước đây chưa kiểm tra cơ chế cơ bản của việc di chuyển một điện tử từ một phân tử hữu cơ như oligophenylene thành CO2. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng họ có thể thực hiện các sửa đổi có hệ thống đối với chất xúc tác oligophenylene, bằng cách thêm các nhóm nguyên tử truyền các đặc tính cụ thể khi liên kết với các phân tử, có xu hướng đẩy các electron về phía trung tâm của chất xúc tác, để tăng tốc phản ứng.

Bất chấp những thách thức, Sharada rất hào hứng với cơ hội dành cho đội của mình.

Sharada nói: “Một trong những thách thức đó là chúng có thể khai thác bức xạ, nhưng rất ít bức xạ nằm trong vùng khả kiến, nơi bạn có thể chiếu ánh sáng vào nó để phản ứng xảy ra. “Thông thường, bạn cần một đèn UV để làm cho nó xảy ra.”

Sharada nói rằng nhóm nghiên cứu hiện đang khám phá các chiến lược thiết kế chất xúc tác không chỉ dẫn đến tốc độ phản ứng cao mà còn cho phép phân tử bị kích thích bởi ánh sáng nhìn thấy, sử dụng cả hóa học lượng tử và thuật toán di truyền.

Bài báo nghiên cứu đánh dấu lần xuất bản đồng tác giả đầu tiên của học sinh trung học Gomez trên một tạp chí có uy tín được bình duyệt.

Gomez là sinh viên năm cuối của trường Bravo Medical Magnet vào thời điểm cô tham gia Chương trình Nghiên cứu Trẻ của USC vào mùa hè, làm việc trong phòng thí nghiệm của Sharada. Cô được Kron trực tiếp cố vấn và đào tạo về lý thuyết và mô phỏng. Sharada cho biết những đóng góp của Gomez ấn tượng đến mức nhóm nghiên cứu đồng ý rằng cô xứng đáng có được quyền tác giả trên bài báo.

Gomez nói rằng cô ấy rất thích cơ hội làm việc trong những nghiên cứu quan trọng góp phần vào sự bền vững của môi trường. Cô cho biết vai trò của mình liên quan đến việc tiến hành nghiên cứu tính toán, tính toán những cấu trúc nào có thể giảm đáng kể lượng CO2.

“Theo truyền thống, chúng tôi được chứng minh rằng nghiên cứu đến từ các phòng thí nghiệm, nơi bạn phải mặc áo khoác phòng thí nghiệm và làm việc với các hóa chất độc hại”, Gomez nói. “Tôi rất thích mỗi ngày tôi luôn học hỏi những điều mới về nghiên cứu mà tôi không biết có thể được thực hiện đơn giản thông qua các chương trình máy tính.”

“Trải nghiệm đầu tiên mà tôi có được chỉ đơn giản là trải nghiệm tốt nhất mà tôi có thể yêu cầu, vì nó cho phép tôi khám phá mối quan tâm của mình trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học và xem có nhiều cách mà nghiên cứu cứu sống có thể đạt được, ”Gomez nói.

Trong kỳ tiếp theo, Wikicabinet trân trọng mời độc giả đón đọc chủ đề Làm thế nào để rèn luyện kỹ năng siêu trí nhớ?

Nếu có những thắc mắc hay muốn tìm hiểu về bất kỳ chủ đề nào, hãy liên hệ với Wikicabinet bằng cách bình luận ở phía dưới nhé.

Leave a Reply