Các nhà khoa học phát triển sản xuất phân bón theo hướng “xanh hơn”

Một nhóm các nhà khoa học do Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) đứng đầu đã phát minh ra một phương pháp mới 'xanh hơn' để tạo ra một hợp chất quan trọng trong phân bón và điều đó có thể mở đường cho sản xuất nông nghiệp bền vững hơn khi nhu cầu lương thực toàn cầu tăng lên.

Được phát triển bởi các nhà nghiên cứu của NTU, phương pháp này tạo ra một hợp chất được gọi là 'urê', là một sản phẩm tự nhiên được tìm thấy trong nước tiểu của động vật có vú và là một hợp chất cần thiết cho phân bón được sản xuất công nghiệp để tăng năng suất cây trồng.

Tuy nhiên, quy trình sản xuất urê hiện tại của Haber-Bosch tiêu tốn nhiều năng lượng, đòi hỏi nhiệt độ 500^oC và áp suất gấp hai trăm lần áp suất khí quyển ở mực nước biển. Nó tạo ra lượng khí thải CO₂ đáng kể, đóng góp vào khoảng 2% năng lượng toàn cầu hàng năm.

Nhằm tìm kiếm một phương pháp bền vững và tiết kiệm năng lượng hơn, nhóm đã phát hiện ra cách cải thiện đáng kể phương pháp hiện có sản xuất urê được gọi là điện phân - sử dụng điện để thúc đẩy các phản ứng hóa học trong dung dịch.

Qua đó. sử dụng vật liệu nano indium hydroxide làm chất xúc tác trong phản ứng giữa nitrat và carbon dioxide và phát hiện ra rằng quá trình hình thành urê hiệu quả hơn gấp 5 lần so với những nỗ lực được báo cáo trước đây bằng cách sử dụng xúc tác điện, đặc biệt bằng cách làm cho phản ứng hóa học diễn ra theo cách 'chọn lọc cao'.

Đồng tác giả của nghiên cứu, giáo sư Alex Yan từ Trường Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật NTU (MSE) cho biết: "Phương pháp của chúng tôi về cơ bản điều khiển quá trình phản ứng hóa học trở nên 'có tính chọn lọc cao'. Bằng cách chọn một chất xúc tác tốt hơn, chúng tôi đã giúp các ion nitrat và các phân tử carbon dioxide tự định vị một cách tối ưu để tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành urê, đồng thời ngăn chặn việc tạo ra các sản phẩm phụ không cần thiết như hydro, dẫn đến hiệu suất cao hơn và sản lượng urê tốt hơn".

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học Nature Sustainability vào tháng 7 và phương pháp sản xuất urê thay thế đã được cấp bằng sáng chế cho NTU.

Nhóm nghiên cứu cho biết với phương pháp mới này để sản xuất urê có thể truyền cảm hứng cho việc thiết kế các phương pháp tiếp cận hóa học bền vững trong tương lai và đóng góp vào phương thức hoạt động nông nghiệp 'xanh hơn' để nuôi dân số ngày càng tăng trên thế giới.

Nghiên cứu phản ánh cam kết của trường đại học trong việc giải quyết những thách thức lớn của nhân loại về tính bền vững như một phần trong kế hoạch chiến lược năm 2025 của NTU, nhằm tìm kiếm để thúc đẩy việc chuyển đổi các khám phá nghiên cứu thành những đổi mới nhằm giảm thiểu tác động đối với môi trường.

Xanh hơn, đơn giản hơn và cạnh tranh với các phương pháp công nghiệp

Như một bằng chứng về khái niệm, các nhà khoa học đã kiểm tra hiệu quả của phương pháp do họ sáng chế ra trong phòng thí nghiệm và nhận thấy phương pháp này đã đạt được năng suất urê là 53,4%, cạnh tranh với phương pháp công nghiệp hiện tại của Haber-Bosch, được xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1910.

Haber-Bosch, một quy trình nhiệt hai bước, phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cao cụ thể và các điều kiện áp suất cao. Đầu tiên, nitơ và hydro được kết hợp để tạo ra amoniac. Carbon dioxide sau đó được liên kết với nó để tạo ra urê. Để so sánh, cách tiếp cận mới của NTU thân thiện với môi trường hơn và đơn giản hơn. Nó sử dụng nitrat - một hợp chất có các liên kết cần ít năng lượng hơn để phá vỡ - carbon dioxide và hydro để kích hoạt trực tiếp sự hình thành urê dưới mức nhiệt độ phòng.

Nhóm nghiên cứu cho biết phương pháp mới đủ đơn giản để được áp dụng ở cả quy mô lớn và nhỏ. Nông dân có thể dễ dàng vận hành thiết bị điện xúc tác để tạo ra urê sử dụng làm phân bón cho riêng họ. Một ngày nào đó phương pháp này cũng có thể được cung cấp hoàn toàn bằng năng lượng tái tạo.

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu, TS. Lyu Chade, từ Trường MSE của NTU cho biết: "Với những tiến bộ trong công nghệ năng lượng mặt trời, chúng ta có thể sử dụng ánh sáng mặt trời để cung cấp năng lượng cho quá trình điện phân trong tương lai, điều này có thể giúp giảm lượng khí thải toàn cầu".

Trong các bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu đang hướng tới việc đạt được kết quả năng suất cao hơn nữa và cải thiện độ chọn lọc của xúc tác, bằng cách khám phá các chất xúc tác có thể kích hoạt các phản ứng nhanh hơn. Họ cũng có kế hoạch tìm cách cung cấp năng lượng cho quy trình sử dụng năng lượng mặt trời và tạo ra một thiết bị nguyên mẫu để chứng minh quy mô sản xuất urê.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Sciencedaily.