Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sydney đã sử dụng sét nhân tạo để phát triển một kỹ thuật hiệu quả hơn trong việc sản xuất amoniac – một hóa chất đóng vai trò chủ chốt trong sản xuất phân bón, góp phần vào gần một nửa sản lượng lương thực toàn cầu.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một quy trình đơn giản lấy cảm hứng từ sét để tạo ra amoniac (NH₃) trực tiếp ở dạng khí. Trước đây, các phương pháp khác chỉ tạo ra amoni (NH₄⁺) trong dung dịch, vốn đòi hỏi thêm năng lượng và các bước chuyển đổi để thu được amoniac khí có thể sử dụng được.
Lâu nay, amoniac được sản xuất bằng quy trình Haber-Bosch, một phương pháp có tác động môi trường lớn do phát thải carbon cao. Phương pháp này cũng yêu cầu cơ sở hạ tầng quy mô lớn và phải gần các nguồn khí tự nhiên rẻ tiền để duy trì hiệu quả kinh tế.
Quy trình hóa học từng nuôi sống cả thế giới
Amoniac từng rất có giá trị – chủ yếu ở dạng phân chim – đến mức nó từng là nguyên nhân của các cuộc xung đột.
Sự ra đời của quy trình Haber-Bosch vào thế kỷ 19 đã mở đường cho việc sản xuất amoniac tổng hợp quy mô lớn, làm thay đổi cả ngành nông nghiệp và công nghiệp. Ngày nay, khoảng 90% lượng amoniac trên thế giới vẫn được sản xuất bằng phương pháp này.
“Nhu cầu của ngành công nghiệp đối với amoniac ngày càng tăng. Trong suốt thập kỷ qua, cộng đồng khoa học toàn cầu – bao gồm cả phòng thí nghiệm của chúng tôi – đang tìm cách tạo ra một phương pháp bền vững hơn để sản xuất amoniac mà không dựa vào nhiên liệu hóa thạch,” giáo sư PJ Cullen từ Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh phân tử thuộc Đại học Sydney kiêm Viện Net Zero cho biết. Nhóm của ông đã nghiên cứu việc sản xuất “amoniac xanh” suốt sáu năm qua.
“Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển thành công một phương pháp giúp chuyển đổi không khí thành amoniac dạng khí nhờ điện – một bước tiến lớn hướng tới mục tiêu của chúng tôi.” Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie.
Amoniac gồm ba nguyên tử hydro, khiến nó trở thành một chất chuyể tải và nguồn hydro tiềm năng trong các ứng dụng năng lượng. Amoniac cũng hứa hẹn khả năng lưu trữ và vận chuyển hydro, vì hydro có thể được tách ra thông qua quy trình gọi là “cracking” – phân tách các phân tử.
Nhờ đặc tính hóa học của mình, amoniac đang được nghiên cứu như một nhiên liệu thay thế không phát thải carbon. Điều này thu hút sự quan tâm của ngành hàng hải – lĩnh vực gây ra khoảng 3% lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu.
Giải mã bài toán hóa học
Phương pháp mới của nhóm giáo sư Cullen tạo ra amoniac bằng cách khai thác sức mạnh của plasma – thông qua việc làm ion hóa hoặc kích thích các phân tử trong không khí bằng điện.
Nhưng “ngôi sao” của quy trình là một thiết bị điện phân sử dụng màng – một chiếc hộp bạc trông đơn giản – nơi diễn ra quá trình chuyển đổi thành amoniac dạng khí.
Trong quy trình Haber-Bosch, amoniac được tạo ra bằng cách kết hợp khí nitơ (N₂) và hydro (H₂) dưới nhiệt độ và áp suất cao, với sự hiện diện của chất xúc tác.
Phương pháp dựa trên plasma mà nhóm của giáo sư Cullen phát triển sử dụng điện để kích thích các phân tử nitơ và oxy trong không khí. Sau đó, các phân tử kích thích này được đưa vào thiết bị điện phân sử dụng màng, để chuyển thành amoniac.
Các nhà nghiên cứu cho biết đây là một con đường đơn giản hơn để sản xuất amoniac.
Giáo sư Cullen cho biết phát hiện này đánh dấu một giai đoạn mới trong việc hiện thực hóa amoniac xanh. Nhóm đang tiếp tục cải thiện hiệu quả năng lượng và khả năng cạnh tranh của phương pháp so với Haber-Bosch.
“Phương pháp mới này gồm hai bước – kết hợp plasma và điện phân. Chúng tôi đã đạt hiệu quả năng lượng với phần plasma và có khả năng mở rộng quy mô. Giờ đây, để hoàn thiện giải pháp sản xuất amoniac bền vững, chúng tôi cần nâng cao hiệu quả năng lượng của phần điện phân,” giáo sư Cullen chia sẻ.
Thiết bị điện phân được sử dụng trong phương pháp mới để tạo ra “amoniac xanh.” Ảnh: PJ Cullen
Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp lấy cảm hứng từ sét để tạo ra amoniac sạch hơn và hiệu quả hơn. Đột phá này có thể thay đổi cách sản xuất amoniac trên toàn cầu và giúp giảm phát thải. Ảnh: Shutterstock
