Phá vỡ khuôn mẫu 100 năm: Các nhà khoa học tạo ra giải pháp amoniac trung hòa carbon

Phá vỡ khuôn mẫu 100 năm: Các nhà khoa học tạo ra giải pháp amoniac trung hòa carbon

    Việc sản xuất đủ amoniac để duy trì sản xuất lương thực toàn cầu sẽ thải ra lượng khí thải carbon đáng kể; một nghiên cứu mới do UB đứng đầu đã phác thảo một quy trình có thể giúp giải quyết vấn đề này.

    Lò phản ứng amoniac điện hóa plasma

    Một lò phản ứng điện hóa plasma do nhóm của Chris Li phát triển có thể chuyển đổi nitơ trong không khí thành amoniac mà không thải ra khí carbon. Tín dụng: Douglas Levere/Đại học Buffalo

    Phản ứng công nghiệp mang tính đột phá này, kết hợp hydro và nitơ để tạo ra amoniac, là nền tảng của phân bón tổng hợp nuôi sống phần lớn dân số toàn cầu. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sự bùng nổ dân số của thế kỷ trước.

    Tuy nhiên, quá trình này cũng gây ra mối đe dọa đáng kể cho các thế hệ tương lai. Nó chiếm khoảng 2% mức tiêu thụ năng lượng của thế giới và lượng hydro mà nó cần chủ yếu có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch.

    Lấy cảm hứng từ phương pháp sản xuất amoniac của thiên nhiên—chẳng hạn như thông qua sét—một nhóm nghiên cứu do Đại học Buffalo đứng đầu đã phát triển một lò phản ứng mang tính cách mạng. Thiết bị này sản xuất amoniac trực tiếp từ nitơ trong không khí và nước mà không thải ra carbon.

    Lò phản ứng điện hóa plasma, được trình bày chi tiết trong một nghiên cứu công bố trên  Tạp chí Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ , hoạt động ở nhiệt độ phòng và đạt tốc độ sản xuất amoniac liên tục khoảng 1 gam mỗi ngày trong hơn 1.000 giờ mà không cần phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

    Các nhà nghiên cứu cho biết đây là bước tiến đáng kể hướng tới tổng hợp amoniac xanh với tốc độ sản xuất và độ ổn định phản ứng có tính cạnh tranh trong ngành.

    “Amoniac thường được coi là hóa chất nuôi sống thế giới, nhưng chúng ta cũng phải đối mặt với sự thật rằng quy trình Haber-Bosch chưa được hiện đại hóa kể từ khi phát minh ra nó cách đây 100 năm. Nó vẫn sử dụng quy trình xử lý nhiệt độ cao, áp suất cao và tạo ra lượng khí thải carbon lớn, khiến nó không bền vững trong dài hạn”, tác giả liên hệ của nghiên cứu, Chris Li, Tiến sĩ, phó giáo sư hóa học tại Cao đẳng Nghệ thuật và Khoa học UB cho biết. “Quy trình của chúng tôi chỉ cần không khí và nước, và có thể được cung cấp năng lượng bằng điện tái tạo”.

    Mô phỏng chu trình nitơ của thiên nhiên

    Trong quá trình cố định nitơ, năng lượng điện của sét đánh phá vỡ các phân tử nitơ trong khí quyển để tạo thành các loại oxit nitơ khác nhau. Sau khi rơi xuống dưới dạng nước mưa, oxit nitơ được vi khuẩn trong đất chuyển đổi thành amoniac, cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng.

    Trong lò phản ứng hai bước do nhóm UB đứng đầu, vai trò của sét được thay thế bằng plasma và vai trò của vi khuẩn được thay thế bằng chất xúc tác đồng-paladi.

    Li cho biết: “Lò phản ứng plasma của chúng tôi chuyển đổi không khí ẩm thành các mảnh oxit nitơ, sau đó được đưa vào lò phản ứng điện hóa sử dụng chất xúc tác đồng-palađi để chuyển đổi chúng thành amoniac”.

    Điều quan trọng là chất xúc tác có khả năng hấp phụ và ổn định nhiều chất trung gian nitơ điôxít được tạo ra bởi lò phản ứng plasma. Thuật toán lý thuyết đồ thị của nhóm đã xác định rằng hầu hết các hợp chất nitơ oxit phải tuần hoàn qua oxit nitric hoặc amin như một bước trung gian trước khi trở thành amoniac. Điều này cho phép nhóm thiết kế một chất xúc tác thông minh liên kết thuận lợi với hai hợp chất đó.

    “Khi năng lượng plasma hoặc sét đánh kích hoạt nitơ, bạn tạo ra một hỗn hợp các hợp chất oxit nitơ. Trong trường hợp của chúng tôi, để chuyển đổi đồng thời tới tám hợp chất hóa học khác nhau thành amoniac là vô cùng khó khăn”, Xiaoli Ge, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Li cho biết. “Về cơ bản, lý thuyết đồ thị cho phép chúng tôi lập bản đồ tất cả các đường phản ứng khác nhau và sau đó xác định một hóa chất thắt cổ chai. Sau đó, chúng tôi tối ưu hóa lò phản ứng điện hóa của mình để ổn định hóa chất thắt cổ chai, do đó tất cả các chất trung gian khác nhau sẽ được chuyển thành amoniac một cách có chọn lọc”.

    Mở rộng quy mô

    Nhóm của Li hiện đang trong quá trình mở rộng quy mô lò phản ứng của họ và đang tìm hiểu cả về một công ty khởi nghiệp và quan hệ đối tác với ngành công nghiệp để giúp thương mại hóa nó. Văn phòng chuyển giao công nghệ của UB đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho lò phản ứng và phương pháp sử dụng nó.

    Hơn một nửa lượng amoniac của thế giới được sản xuất bởi bốn quốc gia — Trung Quốc, Hoa Kỳ, Nga và Ấn Độ — trong khi nhiều nước đang phát triển không thể tự sản xuất. Trong khi quy trình Haber-Bosch phải được tiến hành trên quy mô lớn trong một nhà máy điện tập trung, Li cho biết hệ thống của họ có thể được thực hiện ở quy mô nhỏ hơn nhiều.

    “Bạn có thể tưởng tượng lò phản ứng của chúng tôi trong một thứ gì đó giống như một container vận chuyển cỡ trung bình với các tấm pin mặt trời trên mái nhà. Sau đó, chúng có thể được đặt ở bất kỳ nơi nào trên thế giới và tạo ra amoniac theo nhu cầu cho khu vực đó”, ông nói. “Đó là một lợi thế rất thú vị của hệ thống của chúng tôi và nó sẽ cho phép chúng tôi sản xuất amoniac cho các khu vực kém phát triển có khả năng tiếp cận hạn chế với quy trình Haber-Bosch”.

    Tài liệu tham khảo: “Kiểm soát các con đường phản ứng của các chất phản ứng NOxHy hỗn hợp trong quá trình tổng hợp amoniac điện hóa plasma” của Xiaoli Ge, Chengyi Zhang, Mayuresh Janpandit, Shwetha Prakash, Pratahdeep Gogoi, Daoyang Zhang, Timothy R. Cook, Geoffrey IN Waterhouse, Longwei Yin, Ziyun Wang và Yuguang C. Li, ngày 12 tháng 12 năm 2024,  Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ .

    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 

    Zalo
    Hotline