AI giúp thu hẹp 8.000 lựa chọn chất xúc tác xuống còn một lựa chọn có thể tăng cường amoniac xanh
bởi Đại học New South Wales
Minh họa sơ đồ về quy trình của DoE để lựa chọn và sản xuất hợp kim đa thành phần. Nguồn: Small (2025). DOI: 10.1002/smll.202504087
Các nhà khoa học và kỹ sư tại UNSW Sydney, những người trước đây đã phát triển một phương pháp sản xuất amoniac xanh, hiện đã chuyển sang trí tuệ nhân tạo và máy học để làm cho quy trình này thậm chí còn hiệu quả hơn.
Amoniac, một chất giàu nitơ có trong phân bón, thường được cho là đã cứu phần lớn thế giới khỏi nạn đói vào thế kỷ 20. Nhưng lợi ích của nó đối với loài người phải trả giá, với một trong những dấu chân carbon lớn nhất trong tất cả các quy trình công nghiệp.
Để sản xuất ra nó, các nhà máy công nghiệp cần nhiệt độ hơn 400°C và áp suất cực cao—gấp hơn 200 lần áp suất khí quyển bình thường. Những yêu cầu tiêu tốn nhiều năng lượng như vậy đã khiến sản xuất amoniac trở thành tác nhân chính gây ra khí thải nhà kính toàn cầu, chiếm 2% trên toàn thế giới.
Nhưng vào năm 2021, một nhóm nghiên cứu của UNSW đã phát hiện ra một cách để tạo ra amoniac từ không khí và nước bằng năng lượng tái tạo, ở nhiệt độ tương đương với một ngày hè ấm áp.
Tiến sĩ Ali Jalili, thuộc Khoa Hóa học của UNSW, cho biết mặc dù bằng chứng khái niệm ban đầu chứng minh rằng amoniac có thể được tạo ra hoàn toàn từ năng lượng tái tạo, ở nhiệt độ thấp và không thải ra carbon, nhưng vẫn còn chỗ để cải thiện. Ví dụ, liệu nó có thể được sản xuất hiệu quả hơn, sử dụng ít năng lượng hơn, ít lãng phí năng lượng hơn và tạo ra nhiều amoniac hơn không?
Để trả lời những câu hỏi này, nhóm nghiên cứu cần tìm đúng chất xúc tác - một chất làm tăng tốc phản ứng hóa học mà không bị tiêu thụ. Như họ đã giải thích trong một bài báo được công bố trên tạp chí Small, nhóm nghiên cứu đã bắt đầu bằng cách đưa ra danh sách rút gọn các ứng cử viên chất xúc tác đầy hứa hẹn.
"Chúng tôi đã chọn 13 kim loại mà nghiên cứu trước đây cho biết có những đặc tính mà chúng tôi mong muốn—ví dụ, kim loại này hấp thụ nitơ tốt, kim loại này hấp thụ hydro tốt, v.v.", Tiến sĩ Jalili cho biết.
"Nhưng chất xúc tác tốt nhất sẽ cần sự kết hợp của các kim loại này và nếu bạn tính toán, thì hóa ra là hơn 8.000 sự kết hợp khác nhau."
Trí tuệ nhân tạo xuất hiện
Các nhà nghiên cứu đã cung cấp cho hệ thống máy học thông tin về cách mỗi kim loại hoạt động và đào tạo hệ thống để phát hiện ra những sự kết hợp tốt nhất. Theo cách đó, thay vì phải chạy hơn 8.000 thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, họ chỉ phải chạy 28.
"AI đã giảm đáng kể thời gian và nguồn lực khám phá, thay thế hàng nghìn thí nghiệm thử và sai", Tiến sĩ Jalili cho biết.
"Việc có danh sách rút gọn gồm 28 sự kết hợp kim loại khác nhau có nghĩa là chúng tôi đã tiết kiệm được rất nhiều thời gian trong phòng thí nghiệm so với việc chúng tôi phải thử nghiệm tất cả 8.000 trong số chúng, điều này hoàn toàn không thể."
Sự kết hợp chiến thắng là sự kết hợp của sắt, bismuth, niken, thiếc và kẽm. Trong khi các nhà nghiên cứu mong đợi một số cải tiến trong quá trình sản xuất amoniac xanh, chất xúc tác năm kim loại mới này thậm chí còn vượt xa cả những kỳ vọng lạc quan nhất của họ.
"Chúng tôi đã đạt được sự cải thiện gấp bảy lần về tốc độ sản xuất amoniac và đồng thời, nó đạt hiệu suất gần 100%, nghĩa là hầu như toàn bộ năng lượng điện mà chúng tôi cần để phản ứng xảy ra đều được sử dụng để tạo ra amoniac—rất ít bị lãng phí".
Được gọi là hiệu suất Faradaic, điểm hiệu suất cao có nghĩa là quy trình này bền vững hơn, tiết kiệm chi phí hơn và có thể mở rộng quy mô, điều này rất quan trọng để biến amoniac xanh thành một giải pháp thay thế khả thi cho các phương pháp dựa trên nhiên liệu hóa thạch. Tiến sĩ Jalili cho biết nhóm của ông đã có thể tạo ra amoniac theo cách này ở nhiệt độ môi trường xung quanh là 25°C, thấp hơn 10% nhiệt độ cần thiết để tạo ra amoniac theo cách thông thường thông qua phương pháp Haber-Bosch.
"Phương pháp tiếp cận hiệu suất cao, nhiệt độ thấp này giúp sản xuất amoniac xanh khả thi và có thể mở rộng quy mô. Chúng tôi tin rằng phương pháp này có thể cạnh tranh trực tiếp với Haber–Bosch điện khí hóa và thậm chí là các tuyến đường chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, tạo ra một con đường thực tế cho amoniac xanh thực sự".
Sản xuất nông trại
Nhìn về tương lai, Tiến sĩ Jalili và nhóm nghiên cứu của ông hy vọng cải tiến mới trong sản xuất amoniac xanh có thể tạo ra tác động thực tế. Mục tiêu là một ngày nào đó, nông dân sẽ có thể sản xuất amoniac để làm phân bón tại chỗ, với chi phí thấp và năng lượng thấp, loại bỏ nhu cầu giao hàng qua các tuyến đường vận chuyển—giảm thêm lượng khí thải carbon của sản xuất amoniac.
Trên thực tế, sản xuất amoniac tại địa phương đã bắt đầu, mặc dù vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm. Nông dân có thể mua hoặc thuê các mô-đun amoniac, là các hệ thống nhỏ gọn, được chế tạo tại nhà máy có kích thước bằng một container vận chuyển. Mỗi mô-đun kết hợp chất xúc tác, máy phát plasma và máy điện phân được tối ưu hóa bằng AI thành một gói cắm và chạy duy nhất.
"Trong một thế kỷ, sản xuất amoniac dựa trên các nhà máy tập trung, lớn cắt giảm chi phí bằng cách hoạt động ở quy mô lớn, nhưng những dự án đó mất nhiều năm để xây dựng, đòi hỏi hàng tỷ đô la vốn và không thể thích ứng nhanh chóng khi thị trường năng lượng thay đổi", Tiến sĩ Jalili cho biết.
"Cách tiếp cận của chúng tôi thoát khỏi kỷ nguyên tập trung, quy mô giga nhà máy bia và mở ra cánh cửa cho các đơn vị phi tập trung nhỏ hơn, đòi hỏi đầu tư ban đầu thấp hơn nhiều."
Lưu trữ năng lượng hydro
Một lợi ích khác của sản xuất amoniac chi phí thấp, năng lượng thấp là vai trò mà nó có thể đóng góp trong quá trình chuyển đổi của thế giới hướng tới nền kinh tế hydro. Amoniac lỏng lưu trữ nhiều năng lượng hydro hơn hydro lỏng, điều đó có nghĩa là nó là ứng cử viên tốt hơn cho việc lưu trữ và vận chuyển năng lượng tái tạo.
Tiến sĩ Jalili cho biết "Hệ thống tương tự này cũng đóng vai trò là chất mang hydro không chứa carbon, tạo ra các cơ hội kinh tế mới phù hợp với sự chuyển dịch toàn cầu sang nền kinh tế hydro sạch".
Dựa trên bằng chứng sản xuất phân bón nitơ quy mô trang trại của mình, nhóm của Tiến sĩ Jalili hiện đang triển khai chất xúc tác do AI phát hiện trong các mô-đun amoniac phân tán để cắt giảm chi phí, tăng cường khả năng cạnh tranh của amoniac xanh và đẩy nhanh quá trình tiếp nhận của nó trên thị trường toàn cầu.
Thông tin thêm: Sahar Nazari và cộng sự, Cấu hình chất xúc tác điện hợp kim kim loại có entropy cao ở trạng thái lỏng, Nhỏ (2025). DOI: 10.1002/smll.202504087
Thông tin tạp chí: Nhỏ
Được cung cấp bởi Đại học New South Wales
