Chuyển đổi amoniac thành hydro ở nhiệt độ thấp đạt được bằng cách áp dụng trường điện
của Đại học Waseda
Các nhà khoa học đã phát triển một kỹ thuật mới để tạo ra hydro xanh từ amoniac bằng chất xúc tác Ru/CeO2 và trường điện DC ở nhiệt độ thấp hơn. Phương pháp này hỗ trợ việc giảm năng lượng hoạt hóa thông qua proton bề mặt. Nguồn: Yasushi Sekine từ Đại học Waseda, Nhật Bản
Khí hydro, do mật độ năng lượng cao và bản chất không chứa carbon, đang thu hút nhiều sự chú ý như nguồn năng lượng cho tương lai xanh và bền vững. Mặc dù là nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ, hydro chủ yếu được tìm thấy ở trạng thái liên kết dưới dạng các hợp chất hóa học như amoniac, hydrua kim loại và các hợp chất hydro hóa khác.
Trong số tất cả các chất mang hydro, amoniac nổi bật là một ứng cử viên đầy hứa hẹn do tính sẵn có rộng rãi, hàm lượng hydro cao với hydro chiếm 17,6% khối lượng và dễ hóa lỏng cũng như vận chuyển.
Một nhược điểm lớn cản trở việc khai thác nguồn hydro xanh theo nhu cầu cho các ứng dụng thực tế là cần nhiệt độ cực cao (>773K) để phân hủy. Sản xuất hydro cho pin nhiên liệu và sử dụng động cơ đốt trong đòi hỏi tỷ lệ chuyển đổi amoniac cao ở nhiệt độ thấp.
Để giải quyết vấn đề này, Giáo sư Yasushi Sekine từ Đại học Waseda, cùng nhóm của ông bao gồm Yukino Ofuchi và Sae Doi từ Đại học Waseda và Kenta Mitarai từ Yanmar Holdings đã trình bày một quy trình nhỏ gọn mới có thể hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn. Họ đã chứng minh một thiết lập thử nghiệm về tỷ lệ chuyển đổi amoniac thành hydro cao ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể bằng cách áp dụng một trường điện khi có chất xúc tác Ru/CeO2 hoạt động mạnh và dễ sản xuất.
Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Chemical Science vào ngày 27 tháng 8 năm 2024.
"Đây là dự án hợp tác giữa phòng thí nghiệm của chúng tôi tại Đại học Waseda và Yanmar Holdings, một công ty hàng đầu trong lĩnh vực sử dụng amoniac. Chúng tôi đặt mục tiêu phát triển một quy trình cho phép chúng tôi khai thác khả năng của amoniac để tạo ra hydro theo yêu cầu", Sekine cho biết.
"Vì vậy, chúng tôi bắt đầu nghiên cứu các hệ thống xúc tác nhiệt thông thường, trong đó phản ứng diễn ra thông qua quá trình hình thành chất hấp phụ N và H thông qua quá trình phân ly liên kết N–H và quá trình kết hợp lại các chất hấp phụ để tạo thành khí N2 và H2 tương ứng".
Nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy rằng bước xác định tốc độ trên kim loại hoạt động Ru là quá trình giải hấp nitơ ở nhiệt độ thấp và quá trình phân ly N–H ở nhiệt độ cao. Nỗ lực khắc phục vấn đề này đã đưa họ đến với các phản ứng xúc tác hỗ trợ điện trường. Kỹ thuật này cải thiện khả năng dẫn proton trên bề mặt chất xúc tác và giảm năng lượng hoạt hóa cần thiết cho phản ứng cùng với nhiệt độ phản ứng của nó để tạo điều kiện chuyển đổi amoniac hiệu quả.
Sử dụng thông tin này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống xúc tác nhiệt mới để phân hủy amoniac thành hydro ở nhiệt độ thấp với sự hỗ trợ của chất xúc tác Ru/CeO2 dễ sản xuất và trường điện DC. Họ phát hiện ra rằng chiến lược đề xuất của họ phân hủy amoniac hiệu quả ngay cả ở nhiệt độ dưới 473 K.
Với thời gian tiếp xúc đủ dài giữa nguồn cấp amoniac và chất xúc tác, tỷ lệ chuyển đổi 100% đạt được ở 398 K, vượt qua tỷ lệ chuyển đổi cân bằng. Điều này được cho là do khả năng thúc đẩy proton bề mặt của trường điện - proton nhảy trên bề mặt chất xúc tác với sự hỗ trợ của trường điện DC. Điều này làm giảm năng lượng hoạt hóa rõ ràng của phản ứng chuyển đổi amoniac.
Ngược lại, họ quan sát thấy rằng việc thiếu trường điện làm chậm đáng kể quá trình giải hấp nitơ, khiến phản ứng phân hủy amoniac dừng lại sau một thời gian. Ý nghĩa của proton bề mặt trong việc cải thiện tỷ lệ chuyển đổi amoniac được hỗ trợ thêm bởi các phép tính lý thuyết hàm mật độ và thực nghiệm do các nhà nghiên cứu thực hiện.
Chiến lược mới này chứng minh rằng hydro xanh có thể được sản xuất từ amoniac ở nhiệt độ thấp theo con đường không thể đảo ngược, đảm bảo chuyển đổi gần 100% ở tốc độ phản ứng cao.
"Chúng tôi tin rằng phương pháp chúng tôi đề xuất có thể đẩy nhanh việc áp dụng rộng rãi các nhiên liệu thay thế sạch bằng cách giúp quá trình tổng hợp hydro không chứa CO2 theo yêu cầu trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết", Sekine kết luận.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
