Đại học Stanford tìm ra cách sản xuất amoniac mà không thải khí CO2

Các nhà nghiên cứu của Đại học Stanford thử nghiệm cách sản xuất amoniac mà không thải ra CO2. Ảnh: Ảnh: Ray Chavez.

Trong một dự án của Đại học Stanford, các nhà khoa học Richard Zare, Xiaowei Song và Chanbasha Basheer đã phát hiện một quy trình hóa học mới, thân thiện với môi trường mà họ cho rằng có thể thay đổi cách tạo ra amoniac, Stanford Daily đưa tin.

Cách tạo ra amoniac trước đây

Amoniac (NH3) là hợp chất vô cơ của nitơ và hydro, đóng vai trò là "nền tảng" tạo ra phân bón hóa học cho nông nghiệp.

Khoảng 70% amoniac được sử dụng làm phân bón để hỗ trợ tăng trưởng thực vật trong khi 30% còn lại chủ yếu được sử dụng cho nhựa, chất nổ và sợi tổng hợp. Vào năm 2022, sản lượng amoniac toàn cầu là khoảng 150 triệu tấn.

Trong hơn 100 năm qua, amoniac được tạo ra bằng phương pháp Haber, hay còn gọi là quy trình Haber-Bosch. Phương pháp này chuyển đổi nitơ thành amoniac để làm phân bón.

Amoniac đóng vai trò là "nền tảng" tạo ra phân bón hóa học cho nông nghiệp. Ảnh: Pexels.

Theo giáo sư Khoa học tự nhiên Marguerite Blake Wilbur của Đại học Stanford và ông Richard Zare, người đứng đầu Zarelab - đơn vị thực hiện nghiên cứu này của Stanford, quy trình Haber-Bosch sử dụng khoảng 2% năng lượng của thế giới và góp phần tạo ra 1,3% lượng khí thải CO2 toàn cầu mỗi năm.

Theo ông Richard Zare, quy trình tiêu tốn nhiều năng lượng vì phân tử nitơ khá trơ, nghĩa là nó không dễ dàng phản ứng với hydro để tạo thành amoniac.

Các nguyên tử hydro cần đến từ một nguồn khác và quy trình Haber-Bosch sử dụng hơi nước (H2O) để chuyển hóa khí tự nhiên là metan (CH4) thành H2 và CO, thu được các nguyên tử hydro.

Khi nhiều hơi nước được thêm vào, CO được chuyển thành CO2 và thêm nhiều nguyên tử hydro được tạo ra.

Vì thế, quá trình này chính là một nguồn phát khí nhà kính khổng lồ. Ông Zare ước tính 7% lượng CO2 công nghiệp toàn cầu đến từ việc sản xuất amoniac.

Đột phá mới trong nghiên cứu của Stanford

Trong thí nghiệm mới của Đại học Stanford, để tạo ra amoniac, nguồn tạo ra hydro không phải metan mà thay bằng nước. Do đó, quá trình này không tạo ra CO2. Quá trình cũng không cần điện áp, không cần chiếu xạ và được tiến hành ở nhiệt độ phòng.

Phát hiện dựa trên nghiên cứu này đã kiểm tra khả năng phản ứng của các giọt nước siêu nhỏ. Nước khối (nước thể tích lớn) có xu hướng lành tính và trơ, nhưng các giọt nước nhỏ lại có tính phản ứng cao.

Những giọt nước siêu nhỏ tạo ra phản ứng hóa học mạnh khi va chạm với bề mặt cứng. Để sản xuất amoniac, nhóm nghiên cứu phá vỡ các liên kết nitơ bằng cách di chuyển các giọt nước siêu nhỏ, khí nitơ và oxit sắt thông qua một máy phun chạy bằng khí. Quá trình này dựa vào khả năng phản ứng của các giọt nước siêu nhỏ trên bề mặt cứng.

Oxit sắt đóng vai trò là chất xúc tác cho phản ứng, đẩy nhanh quá trình phản ứng mà không làm thay đổi tính chất. Các nhà nghiên cứu đặt chất xúc tác này vào một lưới than chì trong máy phun. Sau đó, máy phun giải phóng các giọt siêu nhỏ. Theo đó, với sự trợ giúp của chất xúc tác, nước và nitơ phản ứng để tạo thành amoniac.

Khi phát hiện amoniac có thể tạo ra mà không cần CO2, nhóm nghiên cứu rất phấn khích nhưng họ cũng khá dè dặt. "Chúng tôi đã phải đau đầu về việc liệu đây có phải kết quả chúng tôi mong đợi hay không, liệu chúng tôi có cần nhiều biện pháp kiểm soát hay không", ông Xiaowei Song nói.

Ông Eric McShane, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Đại học Stanford, đồng ý với các nghiên cứu rằng việc mở rộng quy mô dự án và đảm bảo lượng amoniac đủ cao là một thách thức lớn. Tuy nhiên, ông McShane cũng dành lời khen vì đây là một bước tiến quan trọng, có thể nâng cao đáng kể tính bền vững của quá trình sản xuất amoniac nếu được triển khai trên quy mô lớn.

Ông Richard Zare thông tin bước tiếp theo để nhân rộng dự án này là hợp tác với các kỹ sư. Để có amoniac trên quy mô lớn, chúng ta sẽ mất khoảng 1-5 năm.

"Nếu kế hoạch này thành công, nó sẽ mang lại những thay đổi rất lớn vì giúp chúng ta ứng phó với biến đổi khí hậu, đồng thời giảm chi phí mua thực phẩm", ông Zare nói.