VINACHEM

Ngày nay, các loại phân đạm tổng hợp như urê đang giúp cung cấp lương thực thực phẩm cho khoảng một nửa dân số thế giới. Nhưng sản xuất urê là quá trình nhiều công đoạn, tiêu thụ những lượng năng lượng khổng lồ và phát thải những lượng lớn khí gây hiệu ứng nhà kính. Nay một quá trình sản xuất mới theo phương pháp điện hóa hứa hẹn sẽ giúp cho sản xuất urê trở nên bền vững hơn với chi phí sản xuất thấp hơn.

Sản xuất urê thương mại hiện nay dựa vào phản ứng phức tạp giữa NH­₃­ và CO­₂ ở nhiệt độ khoảng 200 oC. Khoảng 80% amoniăc sản xuất trên toàn cầu được đưa vào sản xuất urê. Trong khi đó, quá trình tổng hợp amoniăc theo phương pháp Haber-Bosch đòi hỏi phải vận hành ở nhiệt độ khoảng 500^oC và áp suất cao. Tổng cộng, những phản ứng này tiêu thụ hơn 2% năng lượng của thế giới và phát thải nhiều CO­₂ hơn bất cứ phản ứng hóa học công nghiệp nào khác.

Các nhà khoa học Hồ Nam (Trung Quốc) đã bỏ qua những công đoạn nói trên, sử dụng phản ứng điện hóa để chuyển hóa khí nitơ và CO­2 trực tiếp thành urê trong nước ở điều kiện nhiệt độ, áp suất của môi trường xung quanh.

Phản ứng đó dựa vào một loại xúc tác đặc biệt với các hạt nano palađi-đồng trên chất nền là màng nano TiO­2­. Phản ứng diễn ra trong thiết bị dòng chảy với catôt làm từ giấy than được bọc chất xúc tác và anôt bằng niken. Các điện cực được ngăn cách bằng màng và nằm trong khoang chứa dung dịch chất điện ly KHCO₃. Các nhà nghiên cứu bơm N₂ và CO­₂ qua khoang phản ứng, sao cho cả hai khí này được hấp phụ trên chất xúc tác và phản ứng với nhau tạo thành urê.

Phân tích lý thuyết cơ chế phản ứng cho thấy, N₂ trên bề mặt chất xúc tác sẽ kích thích phản ứng khử CO­2 để tạo thành CO. Sau đó, CO phản ứng với N₂ tạo thành một vài sản phẩm trung gian. Tương tác tiếp theo giữa CO và các sản phẩm trung gian sẽ hydro hóa N2 và tạo ra liên kết C-N, qua đó tạo thành urê.

Nền TiO­₂­ cũng đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp urê bằng cách ổn định hóa các sản phẩm trung gian. Hiệu quả của hệ thống, được xác định bằng tỷ lệ điện năng sử dụng cho sản xuất urê, đạt khoảng 9%. Các nhà khoa học cũng phát hiện thấy rằng, hiệu quả của hệ thống có thể tăng nếu tăng nồng độ chất điện ly và lưu lượng dòng chảy.

Theo một nhà hóa học tại Đại học Delaware (Mỹ), tuy hiệu suất phản ứng và lưu lượng dòng chảy của quá trình trên khá thấp, nhưng vẫn còn nhiều tiềm năng cải thiện trước khi áp dụng vào thực tế. Tính khả thi của sản xuất urê trực tiếp trong thiết bị phản ứng điện hóa sẽ mở ra triển vọng sản xuất phân bón ở quy mô nhỏ, không phải dựa vào các nhà máy amoniăc và urê tập trung quy mô lớn với chi phí đầu tư và tiêu thụ năng lượng cao. Nếu có thể sản xuất urê ở quy mô nhỏ, vốn đầu tư sẽ thấp hơn nhiều, nhiều quốc gia có thể tự sản xuất urê để cung cấp cho ngành nông nghiệp.

Các nhà khoa học dự định sẽ thiết kế các điện cực có cấu trúc thích hợp với các chất xúc tác hiệu quả hơn để tăng hiệu suất thu hồi urê và hy vọng sẽ nâng cấp thiết bị lên quy mô lớn hơn.

HS, theo Chemical & Engineering News 6-2020