Amoniac là hóa chất đứng đầu danh sách mà các nhà nghiên cứu mong muốn sản xuất bằng phương pháp điện hoá. Là thành phần then chốt trong sản xuất phân bón, mỗi năm sản lượng amoniac trên thế giới đạt khoảng 175 triệu tấn. Phần lớn trong số đó được sản xuất bằng các phương pháp tiêu tốn nhiều năng lượng, các nhà máy amoniac tiêu thụ khoảng 2% sản lượng năng lượng toàn cầu hàng năm, đồng thời tạo ra một tỷ lệ tương ứng phát thải CO2.
Nhưng với sự phát triển nhanh chóng của các nguồn điện tái tạo ngày nay, các nhà nghiên cứu nhận thấy công nghệ điện phân có thể trở thành phương án thay thế trong sản xuất amoniac. Trong tương lai, chúng ta có thể sản xuất amoniac chỉ bằng không khí, nước và năng lượng tái tạo.
Thách thức công nghệ
Liên kết ba giữa 2 nguyên tử nitơ là một trong những liên kết hóa học mạnh nhất. Đây là thách thức lớn đối với các công nghệ tổng hợp amoniac.
Trong thế kỷ trước, công nghệ sản xuất amoniac đã khắc phục tính trơ phản ứng của N2 bằng một quy trình 2 bước, bao gồm phản ứng reforming metan tạo ra H2 và tiếp theo là phản ứng giữa H2 thu được với N2 trong quy trình Haber-Bosch, thường diễn ra ở nhiệt độ trên 400oC và áp suất trên 200 atm.
Phát thải CO2 lớn của quy trình Haber-Bosch là một trong những lý do quan trọng thúc đẩy các nhà khoa học tìm kiếm những phương án thay thế khác. Đồng thời, một lý do khác là nhiệt độ và áp suất cao của quy trình khiến cho sản xuất amoniac không thể được phân bố một cách hợp lý.
Do chi phí lớn của việc chế tạo và lắp đặt các thiết bị phản ứng áp suất cao, các nhà máy amoniac thường được xây dựng với quy mô rất lớn theo mô hình sản xuất tập trung. Nhưng một trong những yếu tố lớn dẫn đến sự bất bình đẳng trong khả năng tiếp cận lương thực thực phẩm trên thế giới là tính tập trung hoá của sản xuất amoniac. Tại nhiều nơi ở châu Phi, cơ sở hạ tầng giao thông và phân phối yếu đến mức giá phân bón thường cao gấp 2-3 lần giá trung bình trên thị trường quốc tế. Điều đó làm hạn chế lượng phân bón được sử dụng, dẫn đến sản lượng cây trồng thấp, năng suất lao động và thu nhập thấp, qua đó lại hạn chế tiếp khả năng tiếp cận nguồn cung phân bón.
Nếu được sản xuất ở nhiệt độ và áp suất bình thường, dây chuyền sản xuất amoniac có thể được lắp đặt ở bất cứ nơi nào có nhu cầu.
Động lực của năng lượng tái tạo
Sau nhiều thập niên nỗ lực tìm kiếm phương án thay thế cho phản ứng Haber-Bosch, ngày nay một tình hình mới đã xuất hiện. Đó là sự thay đổi nhanh chóng của thị trường năng lượng trên thế giới. Trong khoảng 10 năm gần đây, nguồn cung năng lượng tái tạo không đắt tiền ngày càng trở nên sẵn có. Từ năm 2010, giá năng lượng Mặt Trời đã giảm 80%, giá năng lượng gió giảm 50%, triển vọng sẽ tiếp tục giảm. Trong xu hướng đó, các công nghệ điện hóa đã trở thành tâm điểm chú ý.
Ban đầu, các phòng thí nghiệm tổng hợp điện hóa trên thế giới đã tập trung vào phản ứng tách nước bằng năng lượng tái tạo để sản xuất H2 làm nguyên liệu hoặc nhiên liệu sạch. Làn sóng nghiên cứu thứ hai tập trung vào việc giảm phát thải CO2, chuyển hóa phế thải cacbon thành sản phẩm hữu ích. Sau đó, cách đây khoảng 6 năm các nhà khoa học bắt đầu chuyển hướng sang phản ứng khử nitơ để sản xuất amoniac.
Sau một thập niên nghiên cứu, phản ứng điện hóa phân tách nước đã đạt đến quy mô áp dụng công nghiệp, ví dụ Công ty ITM-Power (Anh) và Công ty Siemens (Đức) đã thử nghiệm phương án kết hợp quá trình tách nước với phản ứng Haber-Bosch tại nhà máy ở Oxfordshire (Anh). Tại miền Tây Ôxtrâylia, nơi có sản lượng năng lượng Mặt Trời cao nhất trên thế giới, công ty Yara Fertilizers cũng đang chuẩn bị thử nghiệm công nghệ mới. Nhà máy của Công ty tại đây hiện sản xuất 5% sản lượng amoniac của thế giới.
Ngày nay, trở ngại chính cho việc chấp nhận rộng rãi quy trình sản xuất amoniac thế hệ hai không còn là giá thành cao của năng lượng tái tạo. Trở ngại này hiện là chi phí vốn đầu tư cho các thiết bị điện hóa, vì những điện cực có hiệu suất cao nhất cho quá trình tách nước thường sử dụng kim loại quý.
Nghiên cứu cắt giảm chi phí vận hành
Tìm kiếm phương án rẻ tiền hơn để thay thế điện cực platin và iridi đã trở thành mục tiêu dài hạn của các nhà nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật đan Mạch. Năm 2005, các nhà nghiên cứu ở đây đã biểu thị cho thấy molybden sunphua tạo ra chất xúc tác điện hóa mạnh cho phản ứng giải phóng hydro. Họ phát hiện thấy phần hoạt tính của MoS2 là phần mép cạnh (không phải là bề mặt phẳng) của chất xúc tác. Phát hiện này đã dẫn đến nhiều nghiên cứu nhằm phát triển vật liệu MoS2 có cấu trúc nano hoặc phân lớp, cho phép tăng tối đa tỷ lệ phần mép cạnh.
Theo nhà nghiên cứu Chorkendorff tại Đại học kỹ thuật đan Mạch, vấn đề còn lại là sự mất mát năng lượng do quá trình giải phóng oxy ở anôt. Hiệu suất thấp của phản ứng giải phóng oxy khiến cho toàn bộ quá trình tiêu hao nhiều năng lượng hơn và chi phí vận hành cao hơn. Ngày nay, những quá trình này chỉ có thể vận hành ở hiệu suất tối đa 70%.
Sau nhiều năm nghiên cứu, cho đến nay vẫn chưa có phát hiện đột phá về chất xúc tác cho phản ứng giải phóng oxy ở anôt. Các thiết bị điện phân phải được vận hành ở điều kiện cực trị (axit hoặc kiềm mạnh) để đạt hiệu suất tối đa, nhưng phần lớn các chất xúc tác không đủ bền để sử dụng lâu dài trong các điều kiện như vậy.
Một trong những phương án do Viện MIT tại Mỹ đưa ra là chất xúc tác tự chữa lành, được tạo thành tại chỗ và liên tục tạo ra ion kim loại trong chất điện ly. Chất xúc tác điện hóa của MIT hoạt động ở điều kiện pH trung tính. Năm 2019, nhà nghiên cứu tại Đại học Monash (Ôxtrâylia) đã biểu thị chất xúc tác oxit kim loại hỗn hợp, được tạo ra tại chỗ và có khả năng tự chữa lành, có thể hoạt động trong các điều kiện axit mạnh.
Tiềm năng sử dụng liti
Cho đến nay, nhiều công trình nghiên cứu đã được công bố, khẳng định đã sản xuất amoniac bằng phương pháp điện hóa, nhưng trên thực tế không phải là như vậy.
Theo nhà nghiên cứu Chorkendorff tại Đại học kỹ thuật đan Mạch, hệ thống điện hóa duy nhất hiện đang sản xuất amoniac là quy trình có sử dụng liti. Tiềm năng của liti trong phản ứng tạo ra amoniac đã được các nhà nghiên cứu Nhật Bản công bố vào giữa thập niên 1990 – đây là quy trình phản ứng duy nhất mà hiện nay có thể được kiểm chứng.
Các nhà nghiên cứu cho rằng, phương pháp điện hóa sử dụng liti để sản xuất amoniac là phương pháp duy nhất hiện nay có thể hoạt động. Nhưng nhược điểm của liti là làm giảm hiệu quả năng lượng, vì nó đòi hỏi quá thế trên 3 V. Nhiều năng lượng bị lãng phí ở dạng nhiệt, đó là lý do vì sao phương pháp này đã không được áp dụng và phát triển.
Mặc dù vậy, phương pháp điện hoá sử dụng liti đang mở ra nhiều hướng nghiên cứu trong tương lai. Một trong những những hướng như vậy là tìm kiếm các kim loại khác cũng như các nitrua của chúng có tiềm năng hỗ trợ quá trình phản ứng với tiêu hao năng lượng thấp.
Tại Đại học kỹ thuật đan Mạch, các nhà nghiên cứu đang tập trung khảo sát bề mặt liti, tìm ra những gì hỗ trợ quá trình phản ứng, họ sử dụng máy gia tốc hạt để lập mô hình quá trình.
Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tại Viện MIT tìm kiếm phương pháp giúp các khí phản ứng một cách hiệu quả trong khoang điện hóa sử dụng chất lỏng. Họ sử dụng điện cực khuyếch tán khí để đưa khí nitơ vào thiết bị phản ứng một cách hiệu quả hơn nhiều, nhờ đó sản xuất amoniac ở tốc độ và độ chọn lọc cao hơn. Cho đến nay, họ đã đạt hiệu suất thu hồi amoniac ở những mức cao kỷ lục.
Tuy thiết bị phản ứng khuyếch tán khí hiện nay chỉ hoạt động trong thời gian ngắn và ở quá thế cao, nhưng nó chỉ ra một hướng đi mới mà khoa học đang cần.
Hoahocngaynay.com/Hoahoc.info
Nguồn: ChemistryWorld/Vinachem
