Amoniac được sản xuất từ nitơ và nước bằng cách sử dụng ánh sáng khả kiến, một thành công tại Đại học Tokyo
Tổng hợp quang xúc tác ở nhiệt độ phòng và áp suất, kết hợp các phức hợp kim loại
2025/05/26 10:01
So sánh quá trình tổng hợp amoniac quang xúc tác từ khí nitơ và nước với các phản ứng liên quan.
(Nguồn: Đại học Tokyo)
Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Nishibayashi Yoshiaki của Đại học Tokyo đứng đầu đã thành công trong việc tổng hợp amoniac (NH3) bằng phương pháp quang xúc tác từ khí nitơ (N2) và nước (H2O) bằng cách chiếu sáng nó bằng ánh sáng khả kiến trong môi trường nhiệt độ phòng và áp suất bình thường. Đây là ví dụ thành công đầu tiên trên thế giới về tổng hợp amoniac từ khí nitơ và nước ở nhiệt độ và áp suất phòng bằng cách sử dụng ánh sáng khả kiến, thành phần chính của ánh sáng mặt trời, và dự kiến sẽ dẫn đến sự phát triển của phương pháp tổng hợp amoniac xanh. Thông báo được đưa ra vào ngày 23 tháng 5.
Amoniac đang thu hút sự chú ý như một hợp chất quan trọng để đạt được mục tiêu trung hòa carbon vì đây là nhiên liệu không thải ra CO2 khi đốt và có thể được sử dụng làm chất mang năng lượng, dễ dàng hóa lỏng, lưu trữ và vận chuyển.
Quy trình Haber-Bosch, một phương pháp sản xuất amoniac hiện đang được sử dụng trong ngành công nghiệp hóa chất, là một quy trình công nghiệp tổng hợp amoniac từ nitơ và hydro và tạo ra ít chất thải (hiệu suất nguyên tử cao). Tuy nhiên, quá trình này có một số vấn đề, chẳng hạn như cần phải duy trì điều kiện phản ứng ở nhiệt độ cao, áp suất cao, đòi hỏi phải có các nhà máy quy mô lớn và tiêu thụ nhiều năng lượng. Ngoài ra, khí hydro hiện nay được sản xuất từ nguồn tài nguyên hóa thạch nên tác động đến môi trường đang là mối quan ngại.
Phòng thí nghiệm Nishibayashi đã phát triển phản ứng tổng hợp amoniac quang xúc tác sử dụng chất xúc tác phân tử (hợp chất kim loại chuyển tiếp) với mục đích phát triển phương pháp tổng hợp amoniac ít tác động đến môi trường hơn. Vào năm 2022, chúng tôi đã thành công trong việc phát triển một hệ thống phản ứng quang có thể tổng hợp amoniac bằng quang xúc tác ở nhiệt độ và áp suất phòng bằng cách kết hợp chất xúc tác tổng hợp amoniac độc quyền (hợp chất molypden) có thể tổng hợp amoniac từ các phân tử nitơ với hiệu suất cao bằng cách cung cấp electron và proton (H+) với chất xúc tác truyền electron quang cảm ứng (hợp chất iridi) có thể gây ra phản ứng truyền electron đặc biệt bằng cách hấp thụ ánh sáng.
Tuy nhiên, hệ thống phản ứng này đòi hỏi một hợp chất hữu cơ gọi là dihydroacridine làm nguồn hydro. Để phát triển phương pháp này thành phương pháp tổng hợp amoniac xanh, thách thức tiếp theo là thay thế nguồn hydro từ hợp chất hữu cơ bằng nước, thứ có sẵn trên Trái Đất và dễ kiếm. Để sử dụng nước làm nguyên liệu cho phản ứng tổng hợp amoniac, các electron và proton phải được chiết xuất từ các phân tử nước và đưa vào hợp chất molypden. Tuy nhiên, vì các phân tử nước trở thành các phân tử tương đối ổn định nên cần phải kết hợp hiệu quả phản ứng kích hoạt các phân tử nước với phản ứng tổng hợp amoniac quang xúc tác.
Nhóm nghiên cứu hiện đã phát triển một hệ thống phản ứng mới sử dụng phản ứng hoạt hóa quang hóa của các phân tử nước bằng các hợp chất organophosphorus, sử dụng nước làm nguồn proton cho phản ứng tổng hợp amoniac. Năm 2018, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng khi phản ứng quang học gây ra sự chuyển electron từ hợp chất organophosphorus sang phân tử khác (chuyển electron cảm ứng quang), liên kết P-O được hình thành giữa hợp chất và phân tử nước. Người ta phát hiện ra rằng sự hoạt hóa liên kết này sẽ kích hoạt phân tử nước, cho phép nó hoạt động như một axit mạnh có thể dễ dàng truyền proton cho các phân tử khác. Mục đích là áp dụng kiến thức này để sử dụng nước làm nguồn proton bằng cách sử dụng chất xúc tác truyền electron quang học có khả năng quang oxy hóa cao.
Cụ thể, khi chiếu sáng bằng ánh sáng khả kiến trong khí quyển khí nitơ ở nhiệt độ và áp suất phòng, amoniac được tạo ra nhờ phản ứng xúc tác. Hơn nữa, hoạt động phản ứng được cải thiện đáng kể bằng cách bổ sung chất mang proton (dẫn xuất của pyridine) có thể thúc đẩy quá trình truyền proton giữa chất nền và chất xúc tác. Điều này đạt được tỷ lệ luân chuyển chất xúc tác cao nhất từng được báo cáo cho phản ứng tổng hợp amoniac quang xúc tác và cũng thành công trong việc cải thiện hiệu suất lượng tử từ 2% trong các nghiên cứu trước đây lên 22%.
