CO₂ hiện được xem là thứ cần bắt rồi chôn: Công nghệ mới muốn biến nó thành methanol, fuel và nguyên liệu hóa học

Trong các hệ thống carbon capture and storage (CCS), CO₂ thường phải trải qua một chuỗi khá dài: được tách khỏi khí thải, giải phóng khỏi dung môi hoặc chất hấp phụ, làm giàu, nén rồi vận chuyển tới nơi lưu trữ địa chất. Một hướng nghiên cứu mới muốn bỏ bớt một phần của chuỗi đó bằng cách không coi CO₂ bị bắt là thứ phải tách ra thành một dòng khí tinh khiết trước khi sử dụng.

Southwest Research Institute (SwRI) vừa công bố một dự án đánh giá reactive carbon capture dùng deep eutectic solvents (DES) — một nhóm dung môi có thể vừa giữ CO₂ vừa tạo môi trường cho những bước chuyển hóa tiếp theo. Carbon bị bắt về nguyên tắc có thể đi vào các con đường tạo carbon monoxide, syngas, methanol hoặc formate, thay vì nhất thiết phải được giải hấp, nén và đưa đi chôn.

Điểm cần phân biệt ngay: SwRI chưa công bố một dây chuyền sản xuất methanol từ khí thải. Công việc hiện ở mức nghiên cứu, mô hình hóa và bench-scale testing. Viện cũng chưa đưa ra số liệu về dung lượng bắt CO₂, hiệu suất chuyển hóa, độ chọn lọc sản phẩm hay năng lượng tiêu thụ của hệ DES đang đánh giá. Mục tiêu trước mắt là tìm những công thức dung môi phù hợp và xem chúng còn hoạt động ra sao khi gặp các tạp chất của dòng khí công nghiệp thực tế.

Reactive carbon capture khác gì “bắt rồi chôn”?

Ở quy trình capture truyền thống, việc giữ CO₂ và việc biến CO₂ thành sản phẩm thường là hai bài toán riêng. Dung môi trước hết hấp thụ CO₂. Sau đó hệ thống phải cung cấp nhiệt, thay đổi áp suất hoặc dùng một phương thức tái sinh khác để giải phóng CO₂ khỏi dung môi. Nếu CO₂ được đưa sang một bộ điện phân hoặc lò phản ứng khác, nó còn có thể phải qua các bước làm sạch và nén.

Reactive carbon capture cố ghép hai khâu này gần nhau hơn. Một tổng quan trên Chemical Society Reviews mô tả mục tiêu của hướng nghiên cứu này là sử dụng trực tiếp CO₂ đã bị giữ trong môi trường hấp thụ cho phản ứng hóa học hoặc điện hóa, từ đó có khả năng tránh một số bước tái sinh bằng nhiệt hoặc áp suất, nén, vận chuyển và lưu trữ trung gian.

“Có khả năng” là phần quan trọng. Ghép capture và conversion không tự động khiến toàn bộ quy trình tiết kiệm năng lượng hơn. CO₂ là phân tử bền; việc biến nó thành methanol hoặc các phân tử giàu năng lượng khác vẫn cần năng lượng và, với nhiều con đường, cần hydrogen. Lợi ích chỉ xuất hiện nếu phần năng lượng tiết kiệm được ở khâu tách và tái sinh lớn hơn những chi phí mới của phản ứng, xúc tác, điện cực, dung môi và xử lý sản phẩm.

Hai chất rắn có thể tạo thành một dung môi ở nhiệt độ phòng

DES là phần đáng chú ý trong dự án của SwRI. Một công thức điển hình được tạo bằng cách trộn một thành phần nhận liên kết hydrogen — thường là một muối — với một chất cho liên kết hydrogen như urea hoặc glycerol. Tương tác giữa các thành phần làm điểm nóng chảy của hỗn hợp giảm mạnh so với từng chất riêng lẻ, đến mức hai chất rắn ban đầu có thể tạo thành một chất lỏng ở nhiệt độ phòng.

Điểm hấp dẫn không chỉ nằm ở trạng thái lỏng. Tỷ lệ và thành phần của DES có thể được điều chỉnh để thay đổi khả năng hòa tan CO₂, độ dẫn ion, độ phân cực và môi trường phản ứng. SwRI muốn khai thác tính “tunable” này: sàng lọc nhiều công thức, xác định hỗn hợp giữ carbon tốt rồi đánh giá các con đường tách hoặc điện hóa phù hợp.

Trong reactive capture, CO₂ có thể không còn tồn tại đơn thuần dưới dạng phân tử khí hòa tan. Nó có thể tạo các dạng liên kết hóa học với môi trường dung môi. Nếu dạng carbon đó vẫn có thể nhận electron hoặc tham gia phản ứng hydrogen hóa, hệ thống có cơ hội chuyển trực tiếp carbon bị bắt thành sản phẩm mà không cần giải phóng CO₂ tinh khiết trước.

Methanol cho thấy ý tưởng này có thể hoạt động, nhưng chưa ở điều kiện dễ dàng

Một nghiên cứu độc lập công bố tháng 8/2026 trên Industrial & Engineering Chemistry Research cho thấy một hệ DES có thể làm cả hai việc: bắt CO₂ và hỗ trợ chuyển nó thành methanol. Đây không phải hệ của SwRI, nhưng nó cho thấy loại kiến trúc tích hợp mà reactive carbon capture đang hướng tới.

Nhóm tại Beijing University of Chemical Technology dùng DES gồm N,N,N′,N′-tetraethylethylenediamine (TEEDA) và ethylene glycol (EG), kết hợp với xúc tác Cu/ZnO/Al₂O₃ thương mại. Hệ đạt dung lượng bắt CO₂ 1,14 mmol trên mỗi gram dung môi. Ở điều kiện tối ưu được báo cáo — 240 °C, áp suất hydrogen 8 MPa trong 12 giờ — độ chọn lọc methanol đạt 92,9% và hiệu suất methanol 72,5%. Ở 180 °C, độ chọn lọc lên 96,0% nhưng hiệu suất giảm còn 57,5%.

Những con số này đáng chú ý vì capture và conversion được nối trong cùng một hệ hóa học, nhưng chúng cũng cho thấy khoảng cách tới một quy trình công nghiệp đơn giản: phản ứng vẫn cần nhiệt độ cao, hydrogen áp suất cao và thời gian phản ứng dài. Nhóm mới kiểm tra khả năng tái sử dụng dung môi qua bốn chu kỳ; xúc tác suy giảm chủ yếu do các hạt đồng kết tụ làm mất diện tích bề mặt hoạt tính.

Nghiên cứu cũng chỉ ra một chi tiết quan trọng: DES không tự nó là xúc tác tạo methanol. CO₂ được giữ dưới dạng alkyl carbonate, còn môi trường ethylene glycol hỗ trợ quá trình hydrogen hóa; phản ứng vẫn phụ thuộc vào xúc tác Cu/ZnO/Al₂O₃ và nguồn H₂. Nói cách khác, “dung môi vừa bắt vừa biến CO₂ thành nhiên liệu” là cách nói quá đơn giản nếu bỏ qua phần xúc tác và năng lượng cung cấp cho phản ứng.

Bài test khó hơn là khí thải thật, không phải bình CO₂ tinh khiết

Đây là nơi dự án SwRI muốn tạo khác biệt so với phần lớn thí nghiệm học thuật trước đó. Viện cho biết sẽ đánh giá DES trong điều kiện gần môi trường công nghiệp và tính tới các tạp chất có trong dòng khí thực, thay vì chỉ cấp CO₂ tinh khiết.

Một dung môi hoạt động tốt với CO₂ phòng thí nghiệm có thể phản ứng khác khi thành phần khí thay đổi hoặc khi các tạp chất cạnh tranh vị trí hấp thụ, ảnh hưởng điện cực hay làm xúc tác mất hoạt tính. Độ nhớt cũng là một nút thắt đã được literature ghi nhận với DES: dung môi quá nhớ làm vận chuyển CO₂ và các chất mang carbon tới bề mặt điện cực chậm hơn, kéo mật độ dòng và tốc độ chuyển hóa xuống.

Vì vậy, thông số quan trọng của một hệ reactive capture không chỉ là “bắt được bao nhiêu CO₂”. Nó còn phải trả lời hàng loạt câu hỏi khác: bao nhiêu phần carbon bị bắt thực sự đi vào sản phẩm mong muốn, dung môi dùng được bao lâu, tốc độ phản ứng đủ lớn hay không, năng lượng cho mỗi kilogram sản phẩm là bao nhiêu, và hiệu suất có giữ được khi chuyển từ bình thí nghiệm sang dòng khí liên tục hay không.

Biến CO₂ thành fuel không đồng nghĩa với loại bỏ carbon vĩnh viễn

Reactive carbon capture cũng cần được tách khỏi khái niệm carbon removal. Nếu CO₂ được chuyển thành methanol rồi methanol được đốt làm nhiên liệu, carbon cuối cùng sẽ quay trở lại khí quyển. Khi đó giá trị khí hậu nằm ở việc tái sử dụng một nguyên tử carbon và có thể thay thế một phần carbon hóa thạch mới, chứ không phải lưu giữ CO₂ vĩnh viễn.

International Energy Agency lưu ý rằng lợi ích khí hậu của CO₂ utilization phụ thuộc vào nguồn CO₂, nguồn năng lượng, sản phẩm bị thay thế và thời gian carbon được giữ trong sản phẩm. Sản xuất fuel và hóa chất từ CO₂ thường tiêu tốn nhiều năng lượng và cần lượng hydrogen đáng kể. Nếu hydrogen và điện đến từ nguồn phát thải cao, phép toán vòng đời có thể kém hấp dẫn hơn nhiều.

Ngược lại, nếu methanol được dùng làm nguyên liệu để tạo các hóa chất hoặc polymer có vòng đời dài hơn, carbon có thể được giữ lâu hơn trước khi quay lại khí quyển. Nhưng ngay cả trong trường hợp đó, CCU vẫn không phải là bản sao của CCS: lưu trữ địa chất nhắm tới cô lập carbon trong thời gian rất dài, còn utilization chủ yếu tìm cách thay carbon hóa thạch bằng carbon đã thu hồi trong những sản phẩm vẫn cần nguyên tố này.

Điều cần chứng minh tiếp theo không phải là “CO₂ có thể thành methanol”

Hóa học chuyển CO₂ thành methanol đã được biết đến, và các cơ sở pilot hay thương mại ở quy mô hạn chế đã tồn tại. Câu hỏi của thế hệ reactive carbon capture là liệu có thể ghép capture và conversion thành một quy trình ngắn hơn, bền hơn và rẻ năng lượng hơn khi làm việc với khí thải thật.

Với dự án SwRI, những dữ liệu đáng chờ đợi sẽ là dung lượng bắt CO₂ của từng DES, độ chọn lọc và tốc độ chuyển hóa, độ bền qua nhiều chu kỳ, khả năng chịu tạp chất, mức năng lượng tiêu thụ và đánh giá techno-economic/life-cycle khi hệ được scale up. Cho tới khi các số liệu đó xuất hiện, đây nên được xem là một chương trình nghiên cứu bench-scale nhằm kiểm tra một cách tổ chức lại quy trình carbon capture — chưa phải công nghệ sẵn sàng thay thế việc lưu trữ CO₂.

Nguồn tham khảo

• Southwest Research Institute — SwRI evaluates new reactive carbon capture method that turns waste into commodity chemicals
• Industrial & Engineering Chemistry Research — CO₂ Capture and In Situ Conversion to Methanol in Novel Basic Deep Eutectic Solvents
• Chemical Society Reviews — Reactive capture and electrochemical conversion of CO₂ with ionic liquids and deep eutectic solvents
• International Energy Agency — Putting CO₂ to Use