Chất xúc tác ba thành phần giúp tăng sản lượng amoniac từ điện phân nitrat lên hơn 50%
Bởi Đại học Johannes Gutenberg Mainz
Đặc điểm cấu trúc và hóa học của Điện cực 3 (E3, Cu-Cu2O/Ni-NiO/WO3@NF). Nguồn: Angewandte Chemie International Edition (2026). DOI: 10.1002/anie.202522014
Một nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Dandan Gao từ Khoa Hóa học tại Đại học Johannes Gutenberg Mainz (JGU) dẫn đầu đã phát triển một phương pháp mới để sản xuất amoniac và axit fomic một cách bền vững. Amoniac là không thể thiếu trong nông nghiệp hiện đại và, giống như axit fomic, là một nguyên liệu công nghiệp quan trọng. Theo truyền thống, amoniac được sản xuất bằng quy trình Haber-Bosch, một quy trình cực kỳ tốn năng lượng và gây ra lượng khí thải CO₂ đáng kể. Cũng có thể sản xuất amoniac thông qua điện phân, tức là sử dụng dòng điện, nhưng đây vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu tương đối mới. Điện phân mang lại một giải pháp thay thế bền vững cho sản xuất vì nó có thể được cung cấp năng lượng bằng điện năng tái tạo.
"Chúng tôi hiện đã đạt được ba bước tiến quan trọng," Gao, người đứng đầu nghiên cứu hiện tại, cho biết. "Thứ nhất, chúng tôi đã phát triển một chất xúc tác gồm đồng, niken và vonfram giúp tăng đáng kể sản lượng amoniac trong quá trình điện phân. Thứ hai, chúng tôi đã có thể tăng thêm sản lượng bằng cách sử dụng điện phân xung thay vì điện phân tĩnh. Và thứ ba, trong quá trình điện hóa kết hợp, chúng tôi đồng thời sản xuất axit fomic như một sản phẩm bổ sung." Phương pháp mới này đã được Gao và các đồng nghiệp Christean Nickel và David Leander Troglauer công bố trong tuần này trên tạp chí Angewandte Chemie International Edition.
Thiết kế chất xúc tác mới
Các nhà nghiên cứu đã phát triển một chất xúc tác điện hóa ba thành phần mới để cho phép quá trình khử điện hóa nitrat thành amoniac diễn ra hiệu quả nhất có thể. "Chúng tôi đã chọn đồng, niken và vonfram vì những lý do sau," Gao giải thích. "Để thu được amoniac từ nitrat, trước tiên phải loại bỏ oxy khỏi nitrat—bước này được xúc tác bởi đồng. Sau đó, phải tạo ra hydro, nơi niken thể hiện khả năng xúc tác mạnh mẽ của nó.
"Cuối cùng, hydro không được thoát ra khí quyển hoặc trải qua các phản ứng phụ mà phải liên kết chọn lọc với nitơ—đây là vai trò của vonfram." So với các chất xúc tác song song làm từ đồng và niken, vốn đã được coi là đầy hứa hẹn, chất xúc tác của chúng tôi đạt được hiệu suất amoniac cao hơn hơn 50%,” ông Gao cho biết.
Điện phân xung thay vì điện phân tĩnh
Sử dụng điện phân xung thay vì điện phân tĩnh làm tăng hiệu suất thêm 17%. Cấu hình giống hệt nhau trong cả hai trường hợp. Sự khác biệt duy nhất nằm ở điện thế được áp dụng cho các điện cực. Trong điện phân tĩnh, điện áp không đổi, trong khi ở điện phân xung, nó liên tục luân phiên giữa hai giá trị điện áp.
Sản xuất thêm axit fomic
Trong mọi quá trình điện phân, không chỉ có phản ứng khử xảy ra ở cực âm mà còn có phản ứng oxy hóa diễn ra ở cực dương. “Thông thường, đó là quá trình oxy hóa nước, tạo ra oxy,” ông Gao nói. Tuy nhiên, oxy không đặc biệt có giá trị cũng như không có nhu cầu công nghiệp cao. Do đó, trong phương pháp mới, các nhà nghiên cứu thay thế quá trình oxy hóa nước và thay vào đó oxy hóa glycerol, một sản phẩm thải từ sản xuất biodiesel. Điều này tạo ra axit fomic, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, ví dụ như làm tiền chất cho hóa chất và dược phẩm.
“Bằng cách này, chúng tôi "Có thể thu được hai sản phẩm có giá trị cùng một lúc: amoniac ở cực âm và axit fomic ở cực dương," Gao nói. "Sự kết hợp chiến lược của hai phản ứng này làm nổi bật tiềm năng của phương pháp này trong việc sản xuất bền vững các hóa chất có giá trị gia tăng thông qua điện phân kết hợp tiết kiệm năng lượng."
Thông tin bài báo
Christean Nickel và cộng sự, Tổng hợp điện phân amoniac bền vững kết hợp với việc tận dụng glycerol thông qua chất xúc tác ba thành phần thích ứng, Angewandte Chemie International Edition (2026). DOI: 10.1002/anie.202522014
Thông tin tạp chí: Angewandte Chemie International Edition
Cung cấp bởi Đại học Johannes Gutenberg Mainz
