Trong khoa học không thiếu những yếu tố tình cờ, khi một thành tựu đột nhiên xuất hiện mà không do chủ động tìm kiếm, và việc các nhà khoa học mới đây phát hiện ra một phương pháp tách lithium-6 – thành phần thiết yếu cho nhiên liệu nhiệt hạch – mà không cần dùng đến thủy ngân là một trong số đó.
Lithium-6 là thành phần then chốt để sản xuất nhiên liệu cho năng lượng nhiệt hạch, nhưng việc tách nó ra khỏi đồng vị lithium-7 phổ biến hơn đòi hỏi phải sử dụng thủy ngân lỏng – một chất cực kỳ độc hại. Giờ đây, các nhà khoa học đã phát triển được một phương pháp không dùng thủy ngân nhưng vẫn có thể tách lithium-6 hiệu quả như cách truyền thống. Kết quả nghiên cứu đã được công bố ngày 20 tháng 3 trên tạp chí Chem của Cell Press.
Bước đột phá này xuất hiện một cách ngẫu nhiên trong quá trình các nhà khoa học nghiên cứu lọc nước và sử dụng một vật liệu gọi là zeta-vanadium oxide để chọn lọc và giữ lại ion lithium-6. Phương pháp mới này giúp tránh được quy trình COLEX độc hại và đã cho thấy kết quả làm giàu đầy hứa hẹn trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm. Hiện nhóm nghiên cứu đang hướng tới việc mở rộng quy mô quy trình này để góp phần cung cấp năng lượng sạch trong tương lai.
“Đây là một bước tiến trong việc giải quyết rào cản lớn của năng lượng hạt nhân,” nhà hóa học và tác giả chính Sarbajit Banerjee từ ETH Zürich và Đại học Texas A&M cho biết. “Lithium-6 là vật liệu then chốt cho sự hồi sinh của năng lượng hạt nhân, và phương pháp này có thể là một hướng đi khả thi cho việc tách đồng vị.”
Di sản độc hại của COLEX và tình trạng thiếu hụt lithium-6
Kỹ thuật tiêu chuẩn để tách lithium-6 – quy trình COLEX – sử dụng thủy ngân lỏng và đã bị cấm tại Hoa Kỳ từ năm 1963 do lo ngại về sức khỏe và môi trường. Từ đó, các nghiên cứu tại Hoa Kỳ phải phụ thuộc vào nguồn dự trữ lithium-6 hạn chế được lưu trữ tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Tennessee. Việc tìm ra một phương pháp an toàn và có thể mở rộng quy mô để tách lithium-6 là điều thiết yếu nhằm thúc đẩy năng lượng nhiệt hạch như một nguồn năng lượng sạch.
Điều thú vị là phương pháp mới lại được phát hiện một cách tình cờ. Nhóm nghiên cứu đang phát triển các màng lọc để làm sạch “nước thải khai thác” – loại nước thải sinh ra trong quá trình khoan dầu và khí – thì nhận thấy màng lọc này giữ lại một lượng lithium bất thường. Phát hiện bất ngờ đó đã dẫn đến các nghiên cứu sâu hơn và cuối cùng tìm ra một cách tách lithium-6 mới mà không cần dùng thủy ngân.
“Chúng tôi nhận thấy có thể tách lithium khá chọn lọc dù trong nước chứa nhiều muối hơn lithium rất nhiều,” Banerjee nói. “Điều đó khiến chúng tôi tự hỏi liệu vật liệu này có thể chọn lọc riêng đồng vị lithium-6 hay không.”
Tính chất liên kết lithium của màng lọc này đến từ vật liệu zeta-vanadium oxide – một hợp chất vô cơ tổng hợp trong phòng thí nghiệm, có cấu trúc khung với các mạch rỗng chạy theo một chiều.
“Zeta-vanadium oxide có một số đặc tính khá đáng kinh ngạc – đây là một vật liệu pin tuyệt vời, và giờ chúng tôi phát hiện ra nó có thể giữ lithium rất chọn lọc, thậm chí có thể chọn lọc đồng vị (giữa lithium-6 và lithium-7),” Banerjee nói.
Tế bào điện hóa xác nhận khả năng giữ lithium-6
Để kiểm tra vật liệu này có thể tách lithium-6 khỏi lithium-7 hay không, nhóm đã thiết lập một tế bào điện hóa với cực âm làm từ zeta-vanadium oxide. Khi bơm dung dịch chứa ion lithium qua tế bào và áp điện áp, các ion lithium tích điện dương sẽ bị hút vào khung zeta-vanadium oxide tích điện âm và đi vào các mạch rỗng của nó. Do ion lithium-6 và lithium-7 di chuyển khác nhau nên các mạch rỗng zeta-vanadium oxide ưu tiên giữ lại ion lithium-6 trong khi ion lithium-7 di động hơn sẽ thoát ra ngoài.
“Các ion lithium-6 bám chặt hơn vào các mạch rỗng, đây chính là cơ chế chọn lọc,” đồng tác giả đầu tiên Andrew Ezazi từ Đại học Texas A&M cho biết. “Nếu ví liên kết giữa vanadium oxide (V2O5) và lithium như một lò xo, thì bạn có thể tưởng tượng lithium-7 nặng hơn và dễ phá vỡ liên kết đó, trong khi lithium-6 nhẹ hơn, dao động ít hơn và tạo liên kết chặt hơn.”
Khi các ion lithium được tích hợp vào zeta-V2O5, hợp chất này dần chuyển màu từ vàng tươi sang xanh ô liu đậm, giúp dễ dàng theo dõi mức độ tách lithium.
Đạt tiêu chuẩn lithium cho nhiệt hạch mà không cần thủy ngân
Nhóm nghiên cứu cho biết chỉ với một chu kỳ điện hóa, lithium-6 đã được làm giàu thêm 5,7%. Để đạt tiêu chuẩn lithium cho nhiệt hạch – yêu cầu lithium-6 đạt mức độ làm giàu tối thiểu 30% – quy trình này cần lặp lại 25 lần và có thể đạt tới 90% sau khoảng 45 chu kỳ liên tiếp.
“Mức độ làm giàu này rất cạnh tranh so với quy trình COLEX mà không cần thủy ngân,” Ezazi nói.
“Tất nhiên, chúng tôi chưa sản xuất công nghiệp và vẫn còn một số vấn đề kỹ thuật cần giải quyết về cách thiết kế hệ thống dòng chảy, nhưng chỉ sau một số chu kỳ, bạn có thể có lithium đạt chuẩn cho nhiệt hạch với chi phí khá rẻ,” Banerjee nói.
Nhóm nghiên cứu cho rằng kết quả này gợi ý rằng các vật liệu như zeta-V2O5 cũng có thể được sử dụng để tách các chất khác, ví dụ như phân tách đồng vị phóng xạ và không phóng xạ.
Hiện nhóm đang tiến hành các bước để mở rộng quy mô phương pháp này lên cấp độ công nghiệp.
“Tôi nghĩ có rất nhiều sự quan tâm đến năng lượng nhiệt hạch như một giải pháp tối ưu cho năng lượng sạch,” Banerjee nói. “Chúng tôi hy vọng sẽ nhận được sự hỗ trợ để biến điều này thành một giải pháp thực tiễn.”
Một quy trình sạch hơn, không dùng thủy ngân để tách lithium-6 – thành phần chủ chốt cho nhiên liệu nhiệt hạch – đã được phát hiện tình cờ nhờ một vật liệu lọc nước. Quy trình này có thể thay thế phương pháp độc hại tồn tại hàng chục năm và đưa năng lượng nhiệt hạch đến gần hơn với thực tế. Ảnh: SciTechDaily.com
