Một cách thân thiện hơn với khí hậu để sản xuất phân đạm

Nhóm của Nikolay Kornienko cho thấy cách sản xuất amoniac từ nước và khí nitơ bằng cách sử dụng điện từ năng lượng mặt trời và gió

Nhân loại có một nhu cầu vô độ đối với amoniac: Chất này được sử dụng để sản xuất phân bón, sau đó lại được sử dụng trong hầu hết các ngành nông nghiệp hiện đại. Cho đến nay, quy trình Haber-Bosch vẫn là phương pháp được lựa chọn để chiết xuất nitơ từ bầu khí quyển dường như vô tận và liên kết nó dưới dạng amoniac. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi một lượng khí metan và năng lượng cực lớn. Giáo sư Nikolay Kornienko từ Đại học Bonn đã khám phá ra một phương pháp thay thế thân thiện với khí hậu hơn để sản xuất amoniac từ các nguồn năng lượng tái tạo. Nhóm nghiên cứu hiện đang trình bày những phát hiện của mình trên tạp chí Nature Communications.

Sơ đồ phản ứng - trong đó nước được sử dụng trực tiếp làm nguồn hydro để tạo ra amoniac thông qua năng lượng điện.

Giống như trong Vườn Địa Đàng: Ngũ cốc, củ cải đường và khoai tây phải nảy mầm thật tươi tốt để đĩa rau luôn đầy ắp. Điều này được đảm bảo bằng cách bón phân thường xuyên - đặc biệt là bón bằng nitơ. Một nguồn dinh dưỡng dường như không bao giờ cạn kiệt. Vào đầu thế kỷ 20, Fritz Haber và Carl Bosch đã phát triển một quy trình chiết xuất nitơ từ không khí dường như vô tận. Thành tựu này đã mang về cho họ giải Nobel Hóa học năm 1918.

Sử dụng chất xúc tác gốc sắt, áp suất rất cao và nhiệt độ lên đến 500ºC, quy trình Haber-Bosch liên kết nitơ từ không khí với hydro, tạo ra amoniac. Ngoài ra, một số loài thực vật cũng thành thạo nghệ thuật liên kết nitơ khí quyển với các vi khuẩn nhỏ trong rễ và cung cấp nitơ cho sự phát triển của chúng. Tuy nhiên, cây xanh thực hiện điều này theo cách trung hòa khí hậu, trong khi con người vẫn chưa làm được điều đó.

Giáo sư, tiến sỹ Nikolay Kornienko từ Viện Hóa học Vô cơ thuộc Đại học Bonn cho biết: "Quy trình Haber-Bosch cực kỳ tiêu tốn năng lượng". Sản xuất amoniac chủ yếu dựa vào nhiên liệu hóa thạch, đồng nghĩa với việc lượng khí thải nhà kính cũng cao tương ứng. "Để đạt được mục tiêu một xã hội bền vững và trung hòa khí hậu, việc tìm kiếm các quy trình tổng hợp amoniac thay thế là ưu tiên hàng đầu", Giáo sư Kornienko, đồng thời là thành viên của lĩnh vực nghiên cứu liên ngành "Matter" tại Đại học Bonn cho biết.

Phân đạm từ mặt trời và gió

Các phương pháp thay thế? Những phương pháp này đã được thử nghiệm trong một thời gian. Mục tiêu là thay thế quy trình tổng hợp amoniac Haber-Bosch bằng một quy trình sử dụng năng lượng tái tạo từ các nguồn như mặt trời và gió. Hydro cần thiết khi đó sẽ không còn đến từ khí metan nữa, mà sẽ được thu trực tiếp từ quá trình phân tách nước (H₂O) thành hydro (H₂) và oxy (O₂) bằng điện. Nghe có vẻ đơn giản? Không hề. Bất kỳ ai muốn sản xuất amoniac trên quy mô lớn bằng năng lượng gió và mặt trời đều phải đối mặt với một số cạm bẫy trong các quá trình phản ứng hóa học.

Hossein Bemana, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: "Phản ứng khử nitơ trung gian lithium (LiNRR) được coi là phương pháp mạnh mẽ nhất để điện hóa quá trình tổng hợp amoniac". Trong hệ thống này, các ion lithium (Li⁺) được khử điện hóa thành một lớp kim loại lithium. Kim loại lithium này sau đó có thể phản ứng với khí nitơ (N₂) để tạo thành hợp chất lithium-nitơ. Nếu có sẵn nguồn hydro, hợp chất lithium-nitơ được chuyển đổi thành amoniac (NH₃) và các ion lithium hòa tan. Sau đó, quá trình lại bắt đầu lại. Ít nhất thì đó là lý thuyết.

Kornienko nói: “Chúng tôi nhìn chung xem hệ thống này như một mô hình tạm thời, vì có một số khó khăn thực tế”. Do cần điện áp cao để khử ion lithium thành lithium kim loại, hiệu suất năng lượng bị giới hạn ở mức khoảng 25%. Ngoài ra, hệ thống phải hoạt động trong môi trường không có không khí và nước, vì lithium kim loại có tính phản ứng cao. Một thách thức khác là, tương tự như pin, một pha điện phân rắn xốp (SEI) hình thành trên lớp lithium. Lớp này phải cho phép khí nitơ và hydro đi qua như các chất phản ứng với lithium.

Cái sai thì phải hy sinh

Lý tưởng nhất, hydro sẽ đến trực tiếp từ quá trình phân tách nước. Tuy nhiên, trong hệ thống này, rượu thường được sử dụng làm nguồn hydro. Trong một số trường hợp, dung môi cũng phân hủy và sau đó tự nó trở thành nguồn hydro. "Điều này khiến hệ thống trở nên không thực tế vì phải hy sinh một số phân tử rượu hoặc dung môi để tạo ra amoni", nhà hóa học cho biết.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách chiết xuất hydro trực tiếp từ quá trình phân tách nước và chuyển nó thành nitơ. Họ sử dụng lá paladi (Pd) làm cả điện cực và màng. Kornienko báo cáo: "Pd có thể đóng vai trò như một màng vì nó cho phép các nguyên tử hydro đi qua". Trong thí nghiệm, lá Pd đã tách môi trường phản ứng khan, nơi diễn ra các phản ứng LiNRR, khỏi môi trường phản ứng gốc nước. "Cuối cùng, chúng tôi đã có thể chiết xuất các nguyên tử hydro trực tiếp từ nước bằng phương pháp điện hóa và chuyển chúng sang vật liệu lithium/lithium-nitrogen phản ứng để sản xuất amoniac", nhà hóa học cho biết.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng quang phổ hồng ngoại và khối phổ để xác minh rằng phương pháp này thực sự hoạt động như mong đợi. Họ sử dụng một đồng vị nặng của hydro (deuterium = D) làm nguồn nước và tạo ra ND₃ thay vì NH₃. Ngược lại, các nhà nghiên cứu đã gắn nhãn tất cả các phân tử trong ngăn chứa LiNRR bằng D thay vì H – như mong muốn, NH₃ đã được tạo ra trong trường hợp này chứ không phải ND₃ như trước đây.

Các nhà nghiên cứu nộp đơn xin cấp bằng sáng chế

Hossein Bemana và Nikolay Kornienko đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho quy trình này. Nhóm nghiên cứu chỉ sử dụng điện cho các thí nghiệm sản xuất amoniac (NH₃). Tuy nhiên, vẫn còn một chặng đường dài phía trước trước khi có thể sản xuất phân đạm mong muốn một cách kinh tế từ các nguồn năng lượng tái tạo. Để đạt được điều này, các nhà khoa học sẽ phải đạt được sản lượng cao gấp 1.000 lần so với các thí nghiệm hiện tại của họ. "Chúng tôi vẫn đang trong giai đoạn đầu", nhà hóa học cho biết. "Nhìn chung, cần phải nghiên cứu về tốc độ phản ứng và tính chọn lọc của hệ thống - tức là khả năng điều khiển các electron đến đích mong muốn".

Cao Thị Hải Yến theo Đại học Bonn.