Quá trình điện tổng hợp urê từ khí thải đạt hiệu suất cao mà không có sản phẩm phụ amoniac
Đặc điểm của khung kim loại-azolate (MAF)-201 do các nhà nghiên cứu sử dụng. A) Nhìn từ trên xuống của lớp cho thấy các nút {Cu3(μ3-O)}. B) Nhìn từ bên cạnh của các lớp. Mã màu của các nguyên tử: carbon (xám), đồng (cam), sắt (tím), nitơ (xanh lam) và oxy (đỏ). C) Kính hiển vi điện tử truyền qua và hình ảnh lập bản đồ quang phổ tán xạ năng lượng của MAF-201. Tín dụng: Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01914-3
Urê, với công thức CO(NH2)2, là một hợp chất hóa học được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm sản xuất, nông nghiệp và nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Theo thông lệ, hợp chất này được sản xuất thông qua quy trình hai bước bao gồm tổng hợp amoniac từ nitơ (N₂) và phản ứng tiếp theo của nó với carbon dioxide (CO₂).
Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ cao và dưới áp suất cao, dẫn đến sự hình thành một hợp chất gọi là amoni cacbamat. Hợp chất này sau đó bị phân hủy ở áp suất thấp hơn, cuối cùng tạo ra urê và nước.
Các quy trình sản xuất urê truyền thống rất tốn năng lượng, nghĩa là để sản xuất lượng urê mong muốn, chúng tiêu thụ rất nhiều điện năng. Trong vài năm qua, một số kỹ sư đã cố gắng đưa ra các chiến lược tiết kiệm năng lượng hơn để tổng hợp urê.
Một cách tiếp cận khả thi là tổng hợp trực tiếp urê từ CO₂ và N₂ bằng cách sử dụng máy điện phân, các thiết bị sử dụng điện để tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học mong muốn. Cho đến nay, việc sử dụng các thiết bị này để tổng hợp urê tỏ ra khó khăn, vì các phản ứng phụ không mong muốn trong các thiết bị thường tạo ra các hợp chất khác thay thế.
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sun Yat-Sen ở Trung Quốc gần đây đã giới thiệu một chiến lược mới để tổng hợp urê tinh khiết từ khí thải đã qua xử lý trước, một loại khí thải phát ra từ các quy trình công nghiệp, trong môi trường hạn chế proton đạt được bằng cách sử dụng một máy điện phân tích hợp chất điện phân trạng thái rắn. Bài báo của họ, được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology, có thể mở ra những cơ hội mới có giá trị cho việc sản xuất urê tiết kiệm năng lượng trên quy mô lớn.
"Quá trình điện tổng hợp urê tinh khiết thông qua quá trình đồng khử CO2 và N2 vẫn còn nhiều thách thức", Yan-Chen Liu, Jia-Run Huang và các đồng nghiệp của họ đã viết trong bài báo của họ. "Chúng tôi chứng minh rằng môi trường giới hạn proton được thiết lập trong bình điện phân được trang bị chất điện phân rắn xốp, không có chất điện phân nước, có thể ngăn chặn phản ứng giải phóng hydro và quá trình hydro hóa quá mức N2 thành amoniac.
"Điều này thay vào đó có thể thúc đẩy sự kết hợp C–N của *CO2 với *NHNH (chất trung gian từ quá trình hydro hóa bán phần của N2), do đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sản xuất urê."
Chiến lược mới để tổng hợp urê do nhóm nghiên cứu này giới thiệu chủ yếu dựa trên việc tạo ra môi trường giới hạn proton, một điều kiện trong đó các ion hydro (tức là proton) khan hiếm. Điều kiện này đã được thực hiện thành công bằng cách sử dụng bình điện phân có chứa chất điện phân rắn xốp.
"Bằng cách sử dụng các tấm nano của khung kim loại-azolate hai chiều siêu mỏng với các cụm heterotrimetal vòng làm chất xúc tác, hiệu suất Faradaic của quá trình sản xuất urê từ khí thải đã qua xử lý trước (chủ yếu chứa 85% N2 và 15% CO2) lên tới 65,5% và không có amoniac và các sản phẩm lỏng khác đã được tạo ra", Liu, Huang và các đồng nghiệp của họ đã viết.
"Ở điện áp pin thấp là 2,0 V, dòng điện có thể đạt tới 100 mA và tốc độ sản xuất urê cao tới 5,07 g gcat−1 h−1 hoặc 84,4 mmol gcat−1 h−1. Đáng chú ý là nó có thể liên tục sản xuất 6,2 wt% dung dịch urê tinh khiết dạng nước trong ít nhất 30 giờ và thu được khoảng 1,24 g urê rắn tinh khiết".
Trong các thí nghiệm ban đầu của nhóm, chiến lược của họ cho phép sản xuất liên tục urê có độ tinh khiết cao mà không có sản phẩm phụ amoniac, đồng thời tiêu thụ ít năng lượng hơn so với các phương pháp tổng hợp urê thông thường. Trong tương lai, nó có thể được thử nghiệm thêm và triển khai trên quy mô lớn, có khả năng cho phép sản xuất urê xanh hơn và tiết kiệm chi phí hơn trên quy mô lớn.
"Việc sử dụng khí thải đã qua xử lý trước làm nguyên liệu đầu vào trực tiếp giúp giảm đáng kể chi phí đầu vào, tốc độ phản ứng và tính chọn lọc cao góp phần giảm quy mô hệ thống và chi phí vận hành", các nhà nghiên cứu viết.
Thông tin thêm: Yan-Chen Liu và cộng sự, Điện tổng hợp urê tinh khiết từ khí thải đã qua xử lý trước trong môi trường hạn chế proton được thiết lập trong máy điện phân chất rắn xốp, Nature Nanotechnology(2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01914-3
