Các nhà khoa học sử dụng sét để tạo ra amoniac từ không khí
Theo Đại học Sydney
Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp lấy cảm hứng từ sét để làm cho amoniac sạch hơn và hiệu quả hơn. Bước đột phá này có thể định hình lại sản xuất amoniac toàn cầu và giúp hạn chế khí thải. Nguồn: Shutterstock
Một quy trình lấy cảm hứng từ sét tạo ra amoniac từ không khí. Phương pháp này có thể hỗ trợ các giải pháp năng lượng xanh trong tương lai.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sydney đã sử dụng sét nhân tạo để tạo ra một kỹ thuật hiệu quả hơn để sản xuất amoniac, một hóa chất thiết yếu cho cuộc sống hiện đại. Amoniac đóng vai trò quan trọng trong phân bón, đóng góp gần một nửa sản lượng lương thực toàn cầu.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển một quy trình đơn giản hóa để sản xuất amoniac (NH₃) trực tiếp ở dạng khí. Ngược lại, các phương pháp trước đây do các phòng thí nghiệm khác phát triển tạo ra amoni (NH₄⁺) ở dạng dung dịch, đòi hỏi thêm năng lượng và các bước chuyển đổi để thu được khí amoniac có thể sử dụng.
Theo truyền thống, amoniac được sản xuất bằng quy trình Haber-Bosch, một phương pháp có tác động đáng kể đến môi trường do lượng khí thải carbon cao. Cách tiếp cận này cũng đòi hỏi cơ sở hạ tầng quy mô lớn và gần các nguồn khí đốt tự nhiên giá rẻ để duy trì tính khả thi về mặt kinh tế.
Quy trình hóa học đã nuôi sống thế giới, và nhóm nghiên cứu Sydney đang tìm cách cách mạng hóa nó
Amoniac từng được đánh giá cao đến mức - chủ yếu dưới dạng phân chim - đã trở thành nguồn gốc của xung đột.
Sự phát triển của quy trình Haber-Bosch vào thế kỷ 19 đã cho phép sản xuất amoniac tổng hợp quy mô lớn, làm thay đổi cả nông nghiệp và công nghiệp. Ngày nay, khoảng 90% amoniac trên thế giới vẫn được sản xuất bằng phương pháp này.
Nhu cầu amoniac của ngành công nghiệp ngày càng tăng. Trong thập kỷ qua, cộng đồng khoa học toàn cầu, bao gồm cả phòng thí nghiệm của chúng tôi, muốn khám phá ra một phương pháp bền vững hơn để sản xuất amoniac mà không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Máy điện phân được sử dụng như một phần của phương pháp mới để tạo ra 'amoniac xanh'. Nguồn: PJ Cullen
“Hiện tại, việc sản xuất amoniac đòi hỏi phải sản xuất tập trung và vận chuyển sản phẩm đường dài. Giáo sư PJ Cullen, trưởng nhóm nghiên cứu, đến từ Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Phân tử thuộc Đại học Sydney và Viện Net Zero, cho biết: "Chúng ta cần một loại 'amoniac xanh' giá rẻ, phi tập trung và có thể mở rộng quy mô. Nhóm của ông đã nghiên cứu về sản xuất 'amoniac xanh' trong sáu năm.
"Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển thành công một phương pháp cho phép chuyển đổi không khí thành amoniac ở dạng khí bằng điện. Đây là một bước tiến lớn hướng tới mục tiêu của chúng tôi."
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie.
Amoniac được cấu tạo từ ba nguyên tử hydro, khiến nó trở thành một chất mang và nguồn hydro đầy hứa hẹn cho các ứng dụng năng lượng. Nó cũng có tiềm năng lưu trữ và vận chuyển hydro, vì hydro có thể được chiết xuất thông qua một quá trình được gọi là "cracking", tách các phân tử.
Do các đặc tính hóa học của mình, amoniac đang được nghiên cứu như một nhiên liệu thay thế không chứa carbon. Điều này đã thu hút sự chú ý của ngành vận tải biển, vốn đóng góp khoảng 3% lượng khí thải nhà kính toàn cầu.
Giải mã một bài toán hóc búa về hóa học
Phương pháp mới của nhóm Giáo sư Cullen để tạo ra amoniac hoạt động bằng cách khai thác sức mạnh của plasma, bằng cách điện hóa hoặc kích thích không khí.
Nhưng ngôi sao ở đây là một máy điện phân dựa trên màng, một hộp bạc dường như không có gì đặc biệt, nơi diễn ra quá trình chuyển đổi thành amoniac dạng khí.
Cột plasma được sử dụng để khởi động quá trình tạo ra "amoniac xanh". Nguồn: PJ Cullen/ Plasmaleap
Trong quá trình Haber-Bosch, amoniac (NH3) được tạo ra bằng cách kết hợp nitơ (N2) và khí hydro (H2) ở nhiệt độ và áp suất cao với sự hiện diện của chất xúc tác (một chất làm tăng tốc phản ứng hóa học).
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, nhóm nghiên cứu truyền các phân tử kích thích này đến thiết bị điện phân màng để chuyển đổi các phân tử kích thích 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 những phát hiện này báo hiệu một giai đoạn mới trong việc hiện thực hóa amoniac xanh. Nhóm nghiên cứu hiện đang nỗ lực cải tiến phương pháp này để tiết kiệm năng lượng và cạnh tranh hơn so với quy trình Haber-Bosch.
“Phương pháp mới này là một quy trình hai bước, cụ thể là kết hợp plasma và điện phân. Chúng tôi đã làm cho thành phần plasma khả thi về mặt hiệu quả năng lượng và khả năng mở rộng.
“Để tạo ra một giải pháp hoàn thiện hơn cho việc sản xuất amoniac bền vững, chúng ta cần phải nâng cao hiệu quả năng lượng của thành phần điện phân”, Giáo sư Cullen cho biết.
Tài liệu tham khảo: “Điều chỉnh các khoảng trống oxy đa chức năng cho quá trình chuyển đổi không khí sang amoniac bằng plasma” của Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han và Patrick Cullen, ngày 22 tháng 4 năm 2025, Angewandte Chemie International Edition.
DOI: 10.1002/anie.202508240
