Urê là một nguyên tố quan trọng được tìm thấy trong mọi thứ, từ phân bón đến các sản phẩm chăm sóc da. Sản xuất urê quy mô lớn, trong tự nhiên là sản phẩm từ nước tiểu của con người, chiếm khoảng 2% lượng phát thải và năng lượng toàn cầu.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học và kỹ sư đã tìm cách làm cho quá trình này tiết kiệm năng lượng hơn khi nhu cầu về phân bón tăng lên cùng với sự gia tăng dân số. Một nhóm nghiên cứu quốc tế bao gồm các nhà khoa học và kỹ sư từ Đại học Texas tại Austin đã phát minh ra một phương pháp mới để sản xuất urê thân thiện với môi trường hơn so với quy trình hiện nay và sản xuất đủ năng lượng để cạnh tranh với các phương pháp công nghiệp sử dụng nhiều năng lượng.

Sản xuất urê ngày nay bao gồm một quá trình nhiệt hai bước đòi hỏi mức nhiệt và áp suất cao được kiểm soát trong môi trường khắc nghiệt. Nhưng quy trình mới này chỉ cần một bước và dựa trên một khái niệm gọi là điện phân sử dụng điện - và có khả năng là ánh sáng mặt trời - để kích hoạt các phản ứng hóa học trong dung dịch ở nhiệt độ phòng trong điều kiện môi trường xung quanh.

“Trên khắp thế giới, chúng ta cần giảm lượng khí thải. Đó là lý do tại sao chúng tôi muốn phát triển những con đường bền vững hơn này để sản xuất urê bằng phương pháp điện phân thay vì quy trình hai bước tiêu tốn nhiều năng lượng”, Guihua Yu, phó giáo sư khoa học vật liệu tại Khoa Cơ khí Walker của Trường Cockrell, đã xuất bản một bài báo quan trọng mới về quá trình bền vững của tự nhiên cho biết.

Tổng hợp urê theo phương pháp Haber-Bosch.

Ngày nay, urê tổng hợp được sản xuất chủ yếu thông qua phương pháp Haber-Bosch - được coi là một trong những phát minh vĩ đại nhất của thế kỷ 20 vì nó cho phép sản xuất hàng loạt phân bón và giúp tăng nguồn cung cấp lương thực toàn cầu. Nó kết hợp nitơ và hydro để tạo ra amoniac, sau đó liên kết với carbon dioxide để tạo ra urê. Quá trình hai bước này yêu cầu gia nhiệt đến 400 hoặc 500 độ F để thực hiện phản ứng, sử dụng nguồn năng lượng khổng lồ và tạo ra lượng khí thải đáng kể trong quá trình sản xuất.

Sản xuất urê thông qua quá trình điện phân là một quy trình thay thế bền vững hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Tuy nhiên, phương pháp này trong lịch sử đã không tạo ra đủ urê để làm cho nó khả thi. Quy trình tạo ra quá nhiều sản phẩm phụ và cần nhiều năng lượng để phá vỡ liên kết của các khối cấu tạo phân tử để kích hoạt phản ứng.

Tìm kiếm các nguyên tố hoặc chất xúc tác phù hợp để tạo ra một phản ứng hóa học hiệu quả là thách thức hàng đầu. Nhóm UT đã sử dụng nitrat, thay vì nitơ điển hình, để liên kết với carbon dioxide. Và dung dịch chất xúc tác bao gồm vật liệu nano hydroxit indium.

Mô phỏng quá trình tạo urê theo phương pháp mới.

Yu cho biết, chất xúc tác điện vật liệu nano hiệu quả cao này có “độ chọn lọc cao”, có nghĩa là nó chỉ tạo ra những gì mà các nhà nghiên cứu muốn tạo ra chứ không phải một loạt các sản phẩm phụ. Và nó tạo ra sản lượng urê cao hơn so với những nỗ lực trước đây sử dụng phương pháp điện phân.

Yu nói: “Cần ít năng lượng hơn nhiều để phá vỡ các liên kết của nitrat so với nitơ và điều đó giúp tạo ra sản lượng urê cao hơn rất nhiều.

Yu thấy công thức này có thể áp dụng cho các mục đích sử dụng quy mô lớn và nhỏ. Các thiết bị xúc tác điện có thể được vận hành bởi các cá nhân và bán cho các trang trại riêng lẻ để họ có thể tự tạo ra urê cho đất. Và hy vọng là cung cấp các giải pháp thay thế cho các quy trình công nghiệp quy mô lớn để giảm sử dụng năng lượng, nó có thể đóng một vai trò quan trọng cho một tương lai bền vững hơn vì dân số và nhu cầu về urê chắc chắn sẽ tăng lên.

Các bước tiếp theo trong quy trình này liên quan đến việc cải thiện hơn nữa về năng suất và tính chọn lọc, cũng như một thiết bị nguyên mẫu có thể mở rộng quy mô sản xuất. Và nhóm nghiên cứu đang cố gắng tìm cách cung cấp năng lượng cho quá trình từ nguồn năng lượng mặt trời hơn là nguồn điện trực tiếp.

Nguyễn Bình Duy theo Đại học Texas.