Theo thống kê, năm 2014, con người đã thải ra bầu khí quyển 35,9 tỷ tấn CO2 chủ yếu từ hoạt động đốt than đá và khí tự nhiên của các nhà máy điện, sản xuất phân bón, xi măng hay các quy trình công nghiệp khác.
Những năm qua, nhiều nước đã sử dụng các biện pháp có thể để xử lý khí thải CO2, chủ yếu bằng cách “chôn” dưới lòng đất. Tuy nhiên, biện pháp này tốn kém, không khả thi về mặt kinh tế, trừ phi có nguồn trợ cấp lớn. Giải pháp được “ưa thích” hơn cả là bơm CO2 vào các giếng dầu cạn kiệt làm cho dầu dễ chảy hơn và có thể gia tăng tỷ lệ khai thác dầu. Tuy nhiên, giải pháp này không còn khả quan, đặc biệt về chi phí, nhất là trong bối cảnh giá dầu đang lao dốc như hiện nay.
Những người theo trường phái ủng hộ việc sử dụng CO2 hy vọng họ sẽ thu được lợi từ việc biến CO2 thành các sản phẩm hóa học có giá trị khác, ví dụ như các sản phẩm hóa học có thể thay thế các sản phẩm xuất xứ từ dầu mỏ và “thân thiện” hơn với môi trường.
Tuy nhiên, trường phái này đang gặp khó khăn bởi CO2 là hợp chất có cấu tạo phân tử chắc chắn. Để “phá” được liên kết hóa học của CO2, cần bổ sung nhiều năng lượng, thường là thông qua việc cung cấp nhiệt. Điều này đòi hỏi phải có nguồn điện, mà phần lớn từ các nhà máy sản xuất điện chạy bằng than hoặc khí tự nhiên. Như vậy, cách làm này vô hình trung sẽ gia tăng lượng khí CO2 vào bầu khí quyển.
Thực tế công tác nghiên cứu trên thế giới gần đây cho thấy, bắt đầu có nhiều công ty, nhóm các nhà hóa học, kỹ sư và nhà nghiên cứu tập trung tìm lời giải cho bài toán xử lý CO2. Vừa qua, Paul Bunje, nhà khoa học cao cấp thuộc Nhóm Năng lượng và Môi trường của Quỹ XPrize có đề cập tới một giải thưởng trị giá 20 triệu USD mang tên Carbon Xprize, dự kiến khởi tranh từ cuối tháng 7 này. Đội chiến thắng được công bố vào mùa Xuân năm 2020, là đội có giải pháp tận dụng được tối đa lượng CO2 sinh ra vào việc sản xuất những sản phẩm đem lại giá trị cao nhất. Theo Pau Bunje, đồng thời là thành viên Ban cố vấn cuộc thi, một số đội có ý tưởng chuyển hóa CO2 thành polyme hay các dạng nhiên liệu có thể thay thế xăng dầu hoặc các sản phẩm hóa chất công nghiệp khác.
Tuy nhiên, theo Archer, vấn đề đặt ra lúc này là các nhà hóa học sẽ tạo ra các phản ứng, các cơ chế mới để chuyển hóa CO2 như thế nào. Trong bài viết của ông vừa đăng trên tạp chí Science Advances, Archer đã đề cập tới pin nhiên liệu cung cấp điện năng cho quá trình chuyển hóa CO2 thành các dạng chất hóa học hữu ích khác. Archer và đồng sự đã kết hợp khí CO2 với nhôm và oxy để tạo ra gốc oxalat được sử dụng để sản xuất các loại axít, chất tẩy rỉ sét, thuốc nhuộm vải và nhiều loại hóa chất công nghiệp khác.
Pin nhiên liệu mà Archer đề cập là loại pin nhôm - không khí (aluminum-air fuel cell). Đây là một công nghệ mang tính đột phá trong lĩnh vực cung cấp năng lượng điện khi chứa mật độ năng lượng gấp 100 lần pin lithium - ion vẫn đang được sử dụng. Oxy sẽ phản ứng với một điện cực bằng nhôm để tạo thành một superoxide nhôm có khả năng phản ứng với CO2 để tạo ra oxalate nhôm.
Quá trình phản ứng hóa học sẽ giúp pin nhiên liệu thu được năng lượng điện, mặc dù để phản ứng hóa học trên xảy ra đòi hỏi phải có một điện áp đủ lớn. Tuy nhiên, theo tính toán của Archer, lượng điện năng được sản sinh ra sẽ lớn hơn nhiều so với lượng tiêu hao. Đồng thời, Archer cũng đã giải thích việc lựa chọn nhôm làm điện cực thay vì các kim loại khác vì nhôm khá phong phú và giá thành rẻ, do đó chi phí cho việc tạo ra pin nhiên liệu sẽ thấp hơn.
Hiện nay, gốc oxalat cũng như nhiều loại hóa chất khác đang được một số công ty công nghệ mới khởi nghiệp (gọi tắt là các start-up) hoạt động trong lĩnh vực xử lý carbon triển khai sản xuất. Có thể kể tới nhà máy thí điểm của Skyonic tại San Antonio, Texas, chuyển hóa khí CO2 phát thải từ các nhà máy sản xuất xi măng thành đá vôi và axít. Hay một số start-up khác chuyển hóa CO2 thành chất dẻo và các loại nhiên liệu thay thế...
Triển vọng chưa xán lạn?
Mặc dù thừa nhận một số công ty tham gia vào quá trình tìm kiếm các giải pháp chuyển hóa CO2 thành các dạng chất hữu ích khác có thể có lợi nhuận, Howard Herzog, kỹ sư nghiên cứu cao cấp của MIT Energy Initiative, cũng là người ủng hộ việc cô lập carbon (carbon sequestration) vẫn tỏ ra hoài nghi về khả năng hạn chế đáng kể tác động của khí thải CO2 tới môi trường.
Là một tác giả chính của Báo cáo đặc biệt của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) năm 2005 về thu và cất giữ CO2, Herzog cho rằng các kết luận của báo cáo về việc xử lý carbon từ năm 2005 vẫn được bảo lưu: khả năng giảm khí phát thải trên toàn cầu là nhỏ. Trong khi đó, Kendra Kuhl, thành viên đồng sáng lập Opus 12, một start-up ở Berkeley, California, cũng thừa nhận việc chỉ sử dụng carbon sẽ không giải quyết được hoàn toàn vấn đề khí thải của thế giới. Opus 12 đang nghiên cứu phát triển một lò phản ứng điện hóa sử dụng chất xúc tác và năng lượng tái tạo để chuyển hóa CO2 thành polyme và các hợp chất hóa học khác.
Theo Kuhl, trong bối cảnh việc tiếp tục đào bới các nhiên liệu hóa thạch để phục vụ cho ngành công nghiệp hóa dầu đang tác động tiêu cực đến môi trường, nên chăng hãy tìm cách để chuyển hóa CO2 thành các sản phẩm hóa học thay thế hữu ích. "Chúng ta cần một phương thức mới cho việc sản xuất các loại chất thân thiện với môi trường", ông nói.