Nghiên cứu giới thiệu phương pháp sạch hơn để sản xuất amoniac ở nhiệt độ và áp suất phòng

Nghiên cứu giới thiệu phương pháp sạch hơn để sản xuất amoniac ở nhiệt độ và áp suất phòng

    Nghiên cứu giới thiệu phương pháp sạch hơn để sản xuất amoniac ở nhiệt độ và áp suất phòng
    của Rachel Berkowitz, Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley

    A cleaner way to produce ammonia


    Polly Arnold, Giám đốc Bộ phận Khoa học Hóa học của Phòng thí nghiệm Berkeley, cùng với Matt Hernandez, một nhà nghiên cứu sau đại học. Hernandez đang sử dụng hộp đựng găng tay trong phòng thí nghiệm nơi tiến hành nghiên cứu về amoniac. Tín dụng: Phòng thí nghiệm Thor Swift / Berkeley


    Amoniac là điểm khởi đầu cho loại phân bón đảm bảo nguồn cung cấp lương thực cho thế giới trong thế kỷ qua. Nó cũng là thành phần chính của các sản phẩm tẩy rửa và thậm chí còn được coi là chất thay thế không chứa carbon trong tương lai cho nhiên liệu hóa thạch trong xe cộ.

    Nhưng tổng hợp amoniac từ nitơ phân tử là một quy trình công nghiệp tiêu tốn nhiều năng lượng do nhiệt độ và áp suất cao mà phản ứng tiêu chuẩn diễn ra. Các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) của Bộ Năng lượng hiện có một phương pháp mới để sản xuất amoniac hoạt động ở nhiệt độ và áp suất phòng.

    Kể từ năm 1909, tiêu chuẩn toàn ngành về tổng hợp amoniac liên quan đến việc chuyển đổi nitơ phân tử (dinitrogen, N2) thông qua phản ứng với khí hydro sử dụng chất xúc tác gốc kim loại, được gọi là quy trình Haber-Bosch. Polly Arnold, một nhà khoa học cấp cao và là giám đốc Phòng Khoa học Hóa học tại Phòng thí nghiệm Berkeley, đã phát hiện ra rằng thay vào đó, các chất xúc tác được làm từ cái gọi là kim loại đất hiếm dồi dào có thể tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng này ở nhiệt độ phòng.

    Arnold, đồng thời là giáo sư hóa học tại UC Berkeley, cho biết: “Không ai mong đợi kim loại đất hiếm có thể thực hiện phản ứng này. Họ đã mở rộng kho vũ khí của chúng tôi về các chất xúc tác tiềm năng trong điều kiện môi trường xung quanh”.

    Kim loại đất hiếm là các nguyên tố nặng, mềm, có màu trắng bạc, tạo nên tất cả các kim loại không phóng xạ thuộc nhóm cuối bảng tuần hoàn và đã thu hút nhiều sự quan tâm cho các ứng dụng trong điện tử, tia laser và vật liệu từ tính .

    Anthony Wong, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm của Arnold tại UC Berkeley và chi nhánh tại Phòng Khoa học Hóa học của Phòng thí nghiệm Berkeley, đồng thời là tác giả chính của bài báo trong Chem Catalysis mô tả công trình, cho biết: “Mặc dù có tên như vậy nhưng kim loại đất hiếm thực sự không hiếm”. Ông nói thêm: “Một số loại gần như phổ biến như đồng và muối của chúng ít độc hơn các kim loại đã được sử dụng làm chất xúc tác”.

    Điều thú vị về kim loại đất hiếm, từ góc độ cơ bản, là chúng có một tập hợp các electron bổ sung mà các kim loại chuyển tiếp của chúng không có. Điều này mang lại cho chúng những đặc tính quang từ thú vị – nhưng các nhà hóa học chưa hiểu đầy đủ liệu các electron có thể được sử dụng trong các phản ứng hay không và bằng cách nào. Kiểm tra các phản ứng liên quan đến kim loại đất hiếm là một công cụ hấp dẫn để hiểu cấu trúc điện tử của chúng và cách cấu trúc của chúng có thể áp dụng cho phản ứng mới.

    A cleaner way to produce ammonia


    Một khoang được làm từ các kim loại đất hiếm liên kết, chẳng hạn như zirconium và titan, có thể chuyển đổi lượng nitơ phân tử dồi dào (N2) thành các hợp chất nitơ hữu ích bao gồm amoniac hoặc tris(silyl) amin ở nhiệt độ phòng. Nhà cung cấp hình ảnh: Amy Kynman/Berkeley Lab
    Đất hiếm được biết là có khả năng liên kết nitơ phân tử từ những năm 1990. Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể sử dụng chúng để tạo ra các hóa chất có chức năng nitơ như amoniac hoặc amin xúc tác từ N2.

    Wong, Arnold và các đồng nghiệp của họ đã thiết kế các hợp chất kết hợp hai kim loại đất hiếm với các liên kết đơn giản được tạo ra từ phenolat dựa trên một chất chống oxy hóa đơn giản được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm. Cấu trúc thu được hình thành một khoang hình chữ nhật.

    Nitơ phân tử khuếch tán vào khoang tạo thành liên kết với các kim loại ở hai đầu, kích hoạt khí. Sau đó, các electron được đưa vào khoang từ nguồn kali đã tấn công nitơ hoạt hóa, cắt đứt liên kết của nó. Ở tất cả các dạng tiêu chuẩn, nitơ chuyển hóa tạo thành ba liên kết cộng hóa trị với nguyên tử hydro hoặc các chất phản ứng khác, tạo ra amoniac hoặc amin đối xứng.

    Arnold cho biết: “Chất xúc tác của chúng tôi kích hoạt và giữ dinitrogen, trong khi các thuốc thử khác nhau đi vào và phản ứng để tạo thành các sản phẩm khác nhau”. Cô dự định tiếp theo sẽ sử dụng các điện cực thay vì thuốc thử kali làm nguồn điện tử, vì chúng có thể tái tạo được nếu chúng lấy được từ pin mặt trời chẳng hạn.

    Tiếp theo, các nhà khoa học sẽ khám phá cách sử dụng đất hiếm để tổng hợp thêm các sản phẩm chứa nitơ bằng cách điều chỉnh hình dạng và kích thước của khoang hình hộp thư. Wong cho biết: “Bước tiếp theo của chúng tôi là khám phá và hiểu tính chất kim loại đất hiếm nào ảnh hưởng đến tính chất hóa học”.

    Quy trình mới sẽ không thay thế quy trình Haber-Bosch công nghiệp phổ biến. Sản lượng amoniac toàn cầu đã dao động khoảng 200 triệu tấn mỗi năm kể từ năm 2020 và các công cụ hiện có được tối ưu hóa và cực kỳ hiệu quả ở quy mô lớn. Nhưng quá trình này tiêu tốn khoảng 2% lượng năng lượng sử dụng của thế giới và tạo ra sự bất bình đẳng về mặt địa lý về nguồn cung amoniac.

    “Đó không phải là công bằng về thực phẩm,” Arnold nói. Wong nói thêm: "Chúng tôi cần những cách sản xuất amoniac tốt hơn mà tiêu tốn ít năng lượng hơn. 

    mạnh mẽ và có thể được tiến hành ở nhiệt độ và áp suất xung quanh để giúp đảm bảo an ninh lương thực và năng lượng." Công nghệ được cấp bằng sáng chế của họ có thể mang phân bón và các sản phẩm nitơ đặc trưng về mặt hóa học đến các khu vực không có đường ống và với chi phí thấp hơn nhiều.

    Một số nghiên cứu này được thực hiện tại Nguồn sáng nâng cao, Văn phòng Người dùng Khoa học của Bộ Năng lượng đặt tại Phòng thí nghiệm Berkeley.

    Zalo
    Hotline