Phát minh của Trung Quốc làm rung chuyển ngành năng lượng: 'hồi sinh' tàn thuốc lá thành siêu tụ điện, sạc 10.000 lần vẫn giữ 95% hiệu suất

Tàn thuốc lá từ lâu đã được xem là một trong những loại rác thải phổ biến nhưng nguy hại nhất đối với môi trường. Mỗi năm, hàng nghìn tỷ đầu lọc thuốc bị thải ra ngoài tự nhiên, tồn tại dai dẳng trong nhiều năm và liên tục giải phóng kim loại nặng cùng các hợp chất độc hại vào đất và nguồn nước. Tuy nhiên, thay vì chỉ là gánh nặng môi trường, loại chất thải này đang được các nhà khoa học “tái định nghĩa” như một nguồn vật liệu tiềm năng cho công nghệ lưu trữ năng lượng bền vững.

Các đầu lọc thuốc lá chủ yếu được cấu tạo từ cellulose acetate – một dạng polymer tổng hợp thuộc nhóm nhựa, rất khó phân hủy sinh học. Chính đặc tính này khiến tàn thuốc trở thành mối lo môi trường, nhưng đồng thời cũng mở ra cơ hội mới cho lĩnh vực vật liệu tiên tiến. Nhờ cấu trúc polymer đặc biệt, chúng có thể được chuyển hóa thành các vật liệu carbon có giá trị cao.

Mới đây, một nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Hà Nam (Trung Quốc) đã công bố phương pháp tận dụng tàn thuốc lá đã qua sử dụng để chế tạo điện cực cho siêu tụ điện – một trong những công nghệ lưu trữ năng lượng đang được quan tâm mạnh mẽ. Theo nhóm nghiên cứu, chất thải độc hại này có thể được biến đổi thành “điện cực carbon xốp nano tiên tiến” với hiệu suất vượt trội.

Trong thông cáo công bố ngày 29/1, nhóm nghiên cứu cho biết các thiết bị thu được không chỉ sở hữu mật độ năng lượng và mật độ công suất cao, mà còn duy trì độ ổn định lâu dài. Điều này cho thấy khả năng kết hợp hiếm có giữa xử lý ô nhiễm môi trường và tạo ra giá trị công nghệ thực tiễn.

Về mặt kỹ thuật, các nhà khoa học xác định tàn thuốc lá – vốn giàu cellulose và cellulose acetate – là một nguồn sinh khối rẻ tiền và sẵn có. Khi trải qua các quy trình xử lý phù hợp, vật liệu này có thể chuyển hóa thành carbon xốp với diện tích bề mặt rất lớn, yếu tố then chốt đối với khả năng lưu trữ năng lượng của siêu tụ điện.

Dưới sự dẫn dắt của nhà khoa học Leichang Cao, nhóm nghiên cứu đã áp dụng quy trình cacbon hóa – nhiệt phân thủy nhiệt để chuyển đổi tàn thuốc lá thành than sinh học xốp nano phân cấp, đồng thời pha tạp nitơ và oxy. Trong quá trình này, chất thải được nung ở nhiệt độ khoảng 700°C cùng với chất khắc hóa học, khiến các cấu trúc carbon “nở bung” như bỏng ngô, hình thành mạng lưới tổ ong ba chiều ở cấp độ nano.

Cấu trúc đặc biệt này mang lại diện tích bề mặt cực lớn, giúp các ion di chuyển nhanh chóng trong quá trình sạc và xả. Việc pha tạp nitơ và oxy còn giúp cải thiện đáng kể độ dẫn điện của vật liệu. Kết quả là điện cực đạt điện dung riêng cao và độ bền ấn tượng: sau 10.000 chu kỳ sạc – xả, vật liệu vẫn giữ được hơn 95% dung lượng ban đầu, vượt xa tuổi thọ của nhiều loại pin thương mại hiện nay.

Trong bối cảnh nhu cầu toàn cầu về năng lượng bền vững ngày càng gia tăng, siêu tụ điện đang nổi lên như một đối thủ cạnh tranh đáng gờm của pin lithium-ion truyền thống, nhờ khả năng sạc nhanh và tuổi thọ dài. Nghiên cứu này cho thấy, với kiểm soát chính xác quy trình hóa học, rác thải độc hại như tàn thuốc lá hoàn toàn có thể được tái sinh thành vật liệu điện cực hiệu suất cao, thậm chí sánh ngang hoặc vượt các sản phẩm thương mại đắt tiền.

Từ một loại rác thải gây ô nhiễm, tàn thuốc lá đang được chứng minh có thể trở thành nguồn tài nguyên giá trị cho tương lai năng lượng sạch, với tiềm năng ứng dụng trong ổn định lưới điện, hệ thống phanh tái sinh của xe điện và các thiết bị điện tử tiêu thụ năng lượng cao.

Theo IE