Biến ô nhiễm nitrat thành nhiên liệu xanh: Vật liệu khung hữu cơ 3D (3D COF) cho phép tổng hợp điện hóa amoniac hiệu quả cao
Bởi Đại học Tohoku
Khái niệm khử nitrat bằng xúc tác điện hóa (NO3RR) thành amoniac (NH3) được thực hiện nhờ nền tảng 3D COF TU-82. Nitrat (NO3−), một chất gây ô nhiễm chính trong nước thải nông nghiệp và công nghiệp, được chuyển đổi thành NH3 có giá trị gia tăng trong điều kiện môi trường xung quanh thông qua các vị trí xúc tác kim loại-bipyridine được nhúng trong khung 3D COF TU-82. Nguồn: Tạp chí Hóa học Vật liệu A (2026). DOI: 10.1039/d5ta07989f
Amoniac (NH3) rất cần thiết cho phân bón và các công nghệ năng lượng không carbon mới nổi, tuy nhiên, sản xuất thông thường của nó thông qua quy trình Haber-Bosch tốn nhiều năng lượng và phát thải CO2. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Tohoku và các tổ chức hợp tác đã thiết lập được một bản thiết kế cấu trúc để triển khai các khung hữu cơ cộng hóa trị 3D (COF) trong xúc tác điện hóa, mở ra những hướng đi mới hướng tới quản lý nitrat bền vững và tổng hợp amoniac phi tập trung. Công trình này đã được công bố trên Tạp chí Hóa học Vật liệu A vào ngày 2 tháng 2 năm 2026.
Các nhà nghiên cứu đã đạt được bước đột phá này bằng cách phát triển một khung hữu cơ cộng hóa trị ba chiều (COF) có cấu trúc phức tạp về mặt hình học, TU-82, mang lại khả năng khử nitrat thành amoniac (NO3RR) bằng xúc tác điện hóa có tính chọn lọc cao. Bằng cách kim loại hóa chính xác các túi bipyridine trong mạng bcu liên kết [8+2], nhóm nghiên cứu đã tạo ra TU-82-Fe với các vị trí hoạt tính Fe phân tán ở cấp độ nguyên tử, đạt hiệu suất Faradaic cực đại là 88,1% ở -0,6 V so với RHE và tốc độ tạo amoniac là 2,87 mg h-1 cm-2 ở -0,8 V so với RHE.
Amoniac (NH3) đang thu hút sự chú ý trở lại như một chất mang năng lượng thế hệ tiếp theo vì nó có thể được lưu trữ và vận chuyển dễ dàng hơn hydro và không phát thải carbon dioxide khi sử dụng. Tuy nhiên, quy trình Haber-Bosch hiện hành dựa vào nhiệt độ và áp suất cao, do đó mang lại lượng khí thải carbon đáng kể.
Hình ảnh sơ đồ thể hiện cấu trúc bcu không xuyên thấu của TU-82 với liên kết [8+2] và quá trình kim loại hóa sau tổng hợp tại các túi phối hợp bipyridine để tạo ra TU-82-Fe với các vị trí hoạt tính Fe riêng biệt. Nguồn: Tạp chí Hóa học Vật liệu A (2026). DOI: 10.1039/d5ta07989f
Một giải pháp thay thế mới nổi là khử nitrat điện hóa thành amoniac (NO3RR), có thể hoạt động ở điều kiện môi trường xung quanh và đồng thời giảm thiểu ô nhiễm nitrat bằng cách chuyển đổi NO3− thành một chất hóa học có giá trị. Để hiện thực hóa tầm nhìn này, cần có các chất xúc tác kết hợp hoạt tính cao, tính chọn lọc và độ ổn định trong khi ngăn chặn sự hình thành hydro cạnh tranh.
Các khung hữu cơ cộng hóa trị (COF) là các polyme xốp, kết tinh có cấu trúc mô-đun có thể chứa các vị trí xúc tác được xác định rõ ràng. Tuy nhiên, hầu hết các chất xúc tác điện hóa COF được báo cáo cho phản ứng khử NO3 đều là hai chiều, trong đó sự xếp chồng giữa các lớp có thể hạn chế sự vận chuyển khối lượng và khả năng tiếp cận vị trí. Ngược lại, các COF ba chiều cung cấp các đường dẫn khuếch tán đẳng hướng và độ bền cấu trúc cao hơn - một cơ hội vẫn chưa được khai thác triệt để cho phản ứng khử NO3.
"Bằng cách tích hợp thiết kế cấu trúc chính xác với sự phối hợp kim loại tại vị trí cụ thể, chúng ta có thể tạo ra một khung xốp ba chiều thực sự, bộc lộ các trung tâm xúc tác đồng nhất cho quá trình chuyển đổi nitrat thành amoniac," Tiến sĩ Saikat Das, phó giáo sư trẻ, Viện Nghiên cứu Đa ngành về Vật liệu Tiên tiến, Đại học Tohoku giải thích.
Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp TU-82 thông qua phản ứng ngưng tụ Schiff-base để tạo thành một mạng lưới 3D có trật tự cao chứa các đơn vị bipyridine. Các hốc bipyridine này cho phép phối hợp hậu tổng hợp có kiểm soát các ion kim loại, tạo ra TU-82-Fe và TU-82-Cu mà không làm phá vỡ cấu trúc tinh thể và độ xốp của khung nền.
Hiệu suất Faradaic phụ thuộc vào điện thế và tốc độ tạo amoniac đối với TU-82-Fe trong quá trình khử nitrat xúc tác điện hóa, làm nổi bật tính chọn lọc và năng suất cao trong điều kiện môi trường xung quanh. Nguồn: Tạp chí Hóa học Vật liệu A (2026). DOI: 10.1039/d5ta07989f
Đánh giá điện hóa trong dung dịch điện phân nitrat kiềm cho thấy TU-82-Fe vượt trội hơn chất tương tự Cu của nó, mang lại hiệu suất Faradaic tối đa cho NH3 là 88,1% ở -0,6 V so với RHE và đạt năng suất 2,87 mg h-1 cm-2NH3 ở -0,8 V so với RHE, cùng với độ bền hoạt động tuyệt vời. Các tính toán dựa trên lý thuyết hàm mật độ (DFT) cho thấy hoạt tính vượt trội của TU-82-Fe xuất phát từ rào cản năng lượng thấp hơn (0,354 eV) đối với bước quyết định tốc độ NO*→NHO* dọc theo con đường trung gian NHO.
"Nghiên cứu này cho thấy thiết kế mạng lưới ba chiều có thể được sử dụng để lập trình môi trường vi mô xúc tác và mở khóa quá trình tổng hợp điện hóa nitrat thành amoniac hiệu suất cao," Yuichi Negishi thuộc Viện Nghiên cứu Đa ngành về Vật liệu Tiên tiến cho biết. "Chúng tôi dự đoán COF 3D sẽ trở thành một nền tảng mạnh mẽ cho quá trình xúc tác điện hóa chu trình nitơ bền vững."
Chi tiết bài báo
A (2026). DOI: 10.1039/d5ta07989f
Thông tin tạp chí: Tạp chí Hóa học Vật liệu A
