Chất xúc tác tiết kiệm năng lượng chuyển đổi chất ô nhiễm nước thành amoniac hữu ích
bởi Đại học Tohoku
Đặc điểm cấu trúc của chất xúc tác NiCuFe-LDH. (a, b) Ảnh SEM, (c) Ảnh TEM, (d) Ảnh HRTEM, (e) Mẫu SAED, (f) Hồ sơ AFM, (g) Ảnh HAADF-STEM và bản đồ nguyên tố EDS tương ứng. Hình chèn trong (d) cho thấy khoảng cách giữa các mặt phẳng được định lượng từ ảnh HRTEM. Nguồn: Vật liệu Chức năng Tiên tiến (2025). DOI: 10.1002/adfm.202519238
Khi phương pháp sản xuất hiện tại được ước tính tiêu thụ tới 1–2% nguồn cung cấp năng lượng toàn cầu hàng năm, điều đó có nghĩa là chúng ta cần phải thay đổi. Quy trình Haber-Bosch tạo ra một lượng lớn amoniac (NH3)—một hợp chất hóa học có giá trị được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như nông nghiệp, công nghệ và dược phẩm—đồng thời tiêu thụ rất nhiều năng lượng.
Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Tohoku đã có những đóng góp đáng kể cho một phương pháp thay thế để chuyển đổi các chất ô nhiễm nitrat có hại trong nước thành amoniac, giải quyết cả những thách thức về môi trường và năng lượng.
Những phát hiện của họ đã được công bố trên tạp chí Advanced Functional Materials.
Bằng cách sử dụng chất xúc tác hydroxit kép (LDH) lớp NiCuFe, nghiên cứu này cung cấp một phương pháp hiệu quả để làm sạch nước bị ô nhiễm. Điều này đồng nghĩa với việc nước sạch hơn, giảm ô nhiễm, và nguồn phân bón và năng lượng bền vững hơn, mang lại lợi ích trực tiếp cho sức khỏe cộng đồng, an ninh lương thực và bảo vệ khí hậu.
Quy trình Haber-Bosch hiện đang sản xuất gần như toàn bộ lượng amoniac được sản xuất công nghiệp trên thế giới, nhưng nó có những nhược điểm lớn. Không chỉ tiêu thụ một lượng năng lượng khổng lồ, quy trình này còn thải ra khí thải carbon dioxide như một sản phẩm phụ, khiến nó càng gây áp lực lên môi trường.
Phản ứng khử nitrat (NO3−) xúc tác điện (NitRR) là một lựa chọn thay thế để sản xuất amoniac đã tồn tại từ lâu, nhưng chưa được ứng dụng rộng rãi do chậm và kém hiệu quả. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Vật liệu Tiên tiến (WPI-AIMR) thuộc Đại học Tohoku đã tìm ra phương pháp khắc phục nhược điểm này. "Chúng tôi đã tạo ra các tấm nano NiCuFe-LDH với các vị trí Ni và Cu để hỗ trợ quá trình khử điện", Giáo sư Hao Li (WPI-AIMR) giải thích. "Hiệu suất của NitRR đã tăng từ mức quá kém hiệu quả đến mức không thể xem xét, lên đến hiệu suất Faradaic là 94,8%."
Họ đã sử dụng các phân tích lý thuyết và tính toán để giải thích cơ chế của phản ứng này, trong đó các vị trí Cu và Ni được thêm vào là điểm nhấn chính.
Hơn nữa, họ đã thử nghiệm pin Zn-NO3− sử dụng các tấm nano NiCuFe-LDH để chứng minh hiệu quả thực tế của nó. Thiết bị hoạt động rất tốt, với hiệu suất Faradaic là 85,8%, sản lượng amoniac cao và mật độ công suất vượt trội so với hầu hết các báo cáo trước đây (12,4 mW/cm−2).
Các bước tiếp theo của dự án này sẽ tập trung vào việc mở rộng quy mô và đào sâu hiểu biết về cơ chế. Về mặt thực tiễn, hiệu suất của chất xúc tác cần được xác nhận trong các hệ thống nước bị ô nhiễm nitrat thực tế và trong điều kiện lò phản ứng dòng chảy liên tục để chứng minh tính khả thi trong công nghiệp.
