Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Thiết bị dạng bóng đèn sợi đốt phát sáng giúp chuyển hóa
methan thành ethylene và các hợp chất thơm tránh phát thải khí carbon dioxide
 

Một lò phản ứng kiểu bóng đèn lưỡng nhiệt chuyển hóa methane thành ethylene và các hợp chất thơm với hiệu suất cao, đồng thời không phát thải trực tiếp CO₂. Nguồn: Ning Yan
 

Methan là một phân tử dồi dào năng lượng và tiềm năng, nhưng rất khó để chuyển hóa trực tiếp thành các nguyên liệu hóa học có giá trị mà không phát sinh carbon dioxide. Các nhà nghiên cứu hiện đã phát triển một lò phản ứng đặc biệt giúp khắc phục hạn chế này bằng cách chia quá trình phản ứng thành hai giai đoạn, hoạt động ở hai nhiệt độ khác nhau (Nat. Sustain. 2026, DOI: 10.1038/s41893-026-01812-z). “Nguồn cảm hứng từ sự bất đối xứng lâu nay trong hóa học metan," theo Giáo sư Ning Yan từ Đại học Quốc gia Singapore, một trong những tác giả của nghiên cứu. Việc chuyển hóa methan cần nhiệt độ rất cao, trong khi các chất xúc tác tối ưu cho quá trình này lại hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Trong hầu hết các lò phản ứng truyền thống, mọi bước đều xảy ra ở cùng một nhiệt độ, dẫn đến một sự hy sinh: kích hoạt methan thành công nhưng mất tính chọn lọc, hoặc giữ được tính chọn lọc nhưng hiệu suất thấp," Yan nói. Chính vì vậy, ý tưởng của nhóm là phân tách vật lý hai giai đoạn này.

Trọng tâm của lò phản ứng là một sợi đốt molybdenum điện nóng, phát sáng như một bộ phận bóng đèn hơn là một đệm xúc tác truyền thống, đạt nhiệt độ trên 1.400°C để kích hoạt methan. Các phân tử sau đó di chuyển tới bề mặt xúc tác dựa trên palladium ở nhiệt độ thấp hơn (dưới 400°C), nơi chúng được hướng dẫn để tạo ra các hợp chất hữu ích. Việc chia quá trình thành các vùng nhiệt độ khác nhau cho phép mỗi bước vận hành trong điều kiện tối ưu, tránh sự thỏa hiệp giữa hiệu suất chuyển đổi và độ chọn lọc. Phương pháp này đạt hiệu suất gần 40% đối với các sản phẩm chủ chốt như ethylene và hợp chất thơm, đồng thời sinh ra lượng lớn hydro và không phát thải CO2 trực tiếp. GS. Yan cho biết, hiệu suất này tương đương hoặc vượt cao so với các phương pháp hiện tại. Các quá trình chuyển hóa methanol thành olefin truyền thống chuyển đổi methan gián tiếp chỉ đạt khoảng 30%, trong khi các chiến lược chuyển đổi trực tiếp mới như ghép cặp oxy hóa và không oxy hóa chỉ đạt gần 20%. Ông cũng cho biết rằng sự tích tụ than cục gây khó khăn lâu dài trong chuyển hóa methan chủ yếu tập trung ở sợi đốt, giúp xử lý trở nên khả thi hơn. 

“Đây là một ví dụ điển hình về khái niệm lò phản ứng hai vùng nhiệt độ”, Kevin M. Van Geem, một chuyên gia kỹ thuật phản ứng nhiệt hóa tại Đại học Ghent, người không tham gia vào nghiên cứu này, cho biết. Ông cũng lưu ý, như đã đề cập trong bài báo, việc mở rộng quy mô hệ thống sẽ yêu cầu một quá trình song song hóa rất phức tạp. Van Geem viết trong email, “Nghiên cứu chỉ ra rằng cần tới 375 mô-đun, mỗi mô-đun chứa 400 lò phản ứng nhỏ, mới có thể xử lý 1 tấn methan mỗi ngày”. Do đó, khả năng mở rộng quy mô gặp nhiều thách thức đáng kể. Ông cũng cảnh báo rằng lượng carbon hình thành có thể lớn hơn dự kiến, dẫn đến phát thải carbon thêm trong quá trình tái sinh chất xúc tác. Các phân tích kinh tế và môi trường ban đầu cho thấy phương pháp này có thể khả thi trong điều kiện đặc biệt thuận lợi, nhất là khi sử dụng điện từ nguồn tái tạo. Tuy nhiên, giả định về nguồn năng lượng và giá khí đốt sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thực tế. “Phân tích của chúng tôi dựa trên giá khí đốt tự nhiên tại Mỹ,” đồng tác giả Javier Pérez-Ramírez của Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Zurich cho biết. Giá khí đốt ở Mỹ ít bị ảnh hưởng bởi cuộc khủng hoảng năng lượng tại châu Âu. Nếu áp dụng giá khí đốt châu Âu, chi phí ròng sẽ tăng nhẹ. Nếu mở rộng quy mô công nghiệp, loại lò phản ứng này có thể mở ra hướng mới để chuyển hóa khí methan thành các sản phẩm giá trị cao mà không gây ra tổn thất lớn về phát thải carbon như phương pháp truyền thống.

Nguồn: https://cen.acs.org/synthesis/catalysis/chemical-reactor-lightbulb-catalyst-methane/104/web/2026/04