Một bước đột phá cơ bản trong ngành hóa học hứa hẹn mở đường cho amoniac như một loại nhiên liệu sạch và nó có thể giúp khử cacbon cho toàn bộ ngành công nghiệp hóa chất trong quá trình này. Các nhà nghiên cứu của Trường Đại học Rice đã tạo ra một thiết bị nhỏ chạy bằng đèn LED giúp chuyển đổi amoniac thành hydro nhanh chóng. Nó sử dụng chất xúc tác điều khiển bằng ánh sáng hiệu quả như chất xúc tác nhiệt đắt tiền mà cần nhiệt độ hàng nghìn độ để hoạt động và nó được làm từ đồng và sắt dồi dào, có chi phí rẻ tiền. Và đây mới chỉ là khởi đầu của một công nghệ có thể giảm triệt để chi phí và sử dụng năng lượng trong ngành hóa học công nghiệp.

Hydrogen là một loại nhiên liệu sạch đầy hứa hẹn có thể đốt cháy hoặc chuyển đổi trực tiếp thành điện năng thông qua pin nhiên liệu. Tuy nhiên, nó vừa đắt vừa khó xử lý vì nó là một loại khí siêu nhẹ, cần được nén đến 700 atm, hoặc nếu không thì cần được làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh độ không tuyệt đối để đạt đến trạng thái lỏng.

Amonia nổi tiếng là chất mang hydro tốt hơn so với khí hydrogen; mỗi nguyên tử nitơ của nó liên kết với ba nguyên tử hydro, và mặc dù nó ăn mòn và cực kỳ nguy hiểm ở nồng độ cao, nhưng nó là một chất lỏng ổn định ở nhiệt độ và áp suất khí quyển, và việc sử dụng rộng rãi nó trong nhiều ngành đồng nghĩa chúng ta sẽ có nhiều kinh nghiệm xử lý nó một cách an toàn dưới nhiều phạm vi điều kiện.

Amonia có thể mang hydrogen đặc biệt tốt, nhưng nếu muốn sử dụng hydrogen đó, chúng ta cần phải "bẻ khóa" nó để lấy hydrogen ra và giải phóng nitơ vô hại trở lại bầu khí quyển. Điều này rất khó vì hai lý do chính: thứ nhất, phản ứng thu nhiệt, vì hầu hết quá trình cracking amoniac được thực hiện trong các cơ sở lớn hoạt động ở nhiệt độ ít nhất 650-1.000°C (1.200-1.800°F). Thứ hai, các chất xúc tác nhiệt cần thiết cho các quá trình cracking này thường là các kim loại thuộc nhóm bạch kim như rutheni - tương đối hiếm có và rất đắt tiền.

Cùng với phong trào hydrogen xanh (the green hydrogen movement gathering steam) là trụ cột chính của quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch, chúng ta có thể hiểu lý do vì sao nhóm Đại học Rice rất vui mừng khi phát hiện ra cách xúc tác phản ứng cracking này nhỏ gọn và hiệu quả ở nhiệt độ phòng mà không sử dụng gì ngoài đồng và sắt.

Liên quan đến xúc tác quang, nhóm nghiên cứu đã làm việc hơn 30 năm để phát triển các quang xúc tác plasmon "lò phản ứng ăng-ten". Nhiều hạt nano của chất xúc tác lấm chấm các khối vật liệu "ăng-ten" nhỏ xíu được thiết kế để tăng khả năng hấp thụ ánh sáng của chất xúc tác. Khi được điều chỉnh thỏa đáng, các hạt của lò phản ứng - ăng ten (antenna-reactor particles) này sẽ lấy năng lượng từ ánh sáng xung quanh - có thể là ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng từ đèn LED năng lượng thấp - và giải phóng các "electron nóng" tồn tại trong thời gian ngắn với đủ nguồn năng lượng để bắt đầu phản ứng hóa học hiệu quả ngay cả ở nhiệt độ môi trường.

Các chất xúc tác quang lò phản ứng - ăng-ten có thể thiết kế cho hầu hết các loại phản ứng. Trước đó vài tuần, các nhà nghiên cứu cũng báo cáo về chất xúc tác hydro sunfua tạo ra hydrogen chạy bằng năng lượng nhẹ. Kỹ thuật đó sử dụng silicon dioxide làm chất xúc tác "lò phản ứng", với các hạt vàng siêu nhỏ làm "ăng-ten" thu năng lượng từ ánh sáng.

Xúc tác quang phân tách amoniac trong nghiên cứu sử dụng sắt làm lò phản ứng của nó và đồng làm ăng-ten thu ánh sáng - cả hai kim loại này có giá rất rẻ và dồi dào, trái ngược với chất xúc tác nhiệt đồng-ruthenium điển hình được sử dụng ngày nay. Hossein Robatjazi, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết, trong quá trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, đồng-sắt cũng hoạt động hiệu quả không kém so với đồng-ruthenium.

Trong một thiết lập thí nghiệm nhỏ, các thử nghiệm ban đầu sử dụng ánh sáng laser. Tuy nhiên, Naomi Halas, đồng tác giả nghiên cứu, đồng sáng lập Syzygy Plasmonics, một công ty thương mại hóa công việc của nhóm Rice và Syzygy đã cấp phép cho chất xúc tác đặc biệt này và xây dựng một chuỗi thử nghiệm lớn hơn khoảng 500 lần, sử dụng ánh sáng LED thay vì laser. Kết quả cho thấy chất xúc tác vẫn hoạt động hiệu quả như vậy.

Halas cho biết: “Đây là báo cáo đầu tiên trong tài liệu khoa học cho thấy quang xúc tác với đèn LED có thể tạo ra lượng khí hydro từ amoniac ở quy mô gam. Điều này mở ra cơ hội thay thế hoàn toàn các kim loại quý trong quang xúc tác plasmon”.

Chất xúc tác quang đồng-sắt sẽ làm cho việc chiết xuất hydro từ amoniac rẻ hơn và dễ dàng hơn nhiều. Do nó không cần nhiệt nên cũng sẽ tiết kiệm được năng lượng và khí thải.

Emily Carter Carter cũng cho biết, với tiềm năng có thể giảm đáng kể lượng khí thải carbon của ngành hóa học, các chất xúc tác quang lò phản ứng ăng-ten plasmon cần được nghiên cứu nhiều thêm hơn nữa. Tuy nhiên, những kết quả đạt được là một động lực tuyệt vời, cho thấy khả năng kết hợp của nhiều kim loại có thể được sử dụng làm chất xúc tác hiệu quả về chi phí cho hàng loạt các phản ứng hóa học.

“Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chỉ ra rằng công nghệ hóa học dựa trên ánh sáng điện tử LED thực sự có thể làm được và có thể làm quy mô lớn. Nó có thể đóng góp cho ngành công nghệ hóa học quy mô công nghiệp và các phản ứng quan trọng trong công nghiệp”, Halas cho biết.

Syzygy cho biết họ đã thiết lập và vận hành phản ứng này trong các thử nghiệm thực địa, và họ hy vọng các lò phản ứng cracking amoniac bằng chất quang xúc tác này sẽ có mặt trên thị trường vào năm 2023. Có một số công nghệ vô cùng thú vị, có tiềm năng to lớn trong nhiều ngành công nghiệp và đóng góp vào quá trình khử cacbon.

P.T.T (NASATI), theo https://newatlas.com/energy/light-catalyst-ammonia-rice/, 30/11/2022