Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Trong bối cảnh thế giới hướng tới trung hòa carbon, amoniac (NH₃) đang được nhìn nhận lại không chỉ là nguyên liệu đầu vào của ngành phân bón và hóa chất, mà còn là nguồn năng lượng sạch tiềm năng cho tương lai. Tuy nhiên, phương pháp sản xuất truyền thống – quy trình Haber–Bosch – lại là một trong những nguồn tiêu thụ năng lượng và phát thải CO₂ lớn nhất của ngành công nghiệp hóa chất.

Những tiến bộ gần đây trong công nghệ điện hóa đang mở ra triển vọng thay đổi căn bản cách thức sản xuất amoniac, theo hướng hiệu quả hơn, linh hoạt hơn và thân thiện với môi trường hơn.

Gánh nặng từ quy trình Haber–Bosch

Trong hơn một thế kỷ qua, quy trình Haber–Bosch đã đóng vai trò nền tảng cho sản xuất amoniac toàn cầu, với sản lượng đạt khoảng 182 triệu tấn vào năm 2020. Tuy nhiên, cái giá phải trả là rất lớn. Quá trình này đòi hỏi nhiệt độ cao (350–450°C) và áp suất lớn (100–200 bar), tiêu thụ khoảng 1% tổng năng lượng toàn cầu mỗi năm và phát thải hơn 1,4% lượng CO₂ của thế giới.

Trung bình, để sản xuất 1 tấn amoniac, ngành công nghiệp phải phát thải tới 2,1 tấn CO₂. Trong bối cảnh các quốc gia và doanh nghiệp cam kết giảm phát thải, mô hình sản xuất tập trung, sử dụng nhiên liệu hóa thạch như hiện nay ngày càng bộc lộ những giới hạn.

Điện hóa – hướng tiếp cận mới cho sản xuất amoniac

Khác với Haber–Bosch, công nghệ điện hóa tổng hợp amoniac cho phép phản ứng diễn ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất môi trường, sử dụng điện từ nguồn năng lượng tái tạo và nước làm nguồn proton. Nhờ đó, quy trình này có tiềm năng giảm mạnh phát thải carbon, đồng thời mở đường cho các hệ thống sản xuất quy mô nhỏ, đặt tại chỗ.

Theo các nghiên cứu gần đây, hiện có ba lộ trình điện hóa nổi bật đang được giới khoa học và công nghiệp quan tâm.

Thứ nhất là khử nitơ qua trung gian lithium (Li-NRR). Trong phương pháp này, lithium kim loại đóng vai trò “phá vỡ” liên kết ba rất bền của phân tử nitơ (N₂), tạo điều kiện để hình thành amoniac. Đây hiện được đánh giá là lộ trình có độ tin cậy cao nhất trong môi trường điện ly không chứa nước.

Thứ hai là khử nitrate (NtrRR) – một hướng đi mang tính kinh tế tuần hoàn rõ nét. Nitrate trong nước thải công nghiệp và nông nghiệp được chuyển hóa thành amoniac, vừa giảm ô nhiễm môi trường, vừa thu hồi tài nguyên nitơ có giá trị.

Thứ ba là khử các oxit nitơ (NOxRR), tận dụng khí thải độc hại từ nhà máy nhiệt điện và phương tiện giao thông để tổng hợp amoniac. Cách tiếp cận này biến chất thải thành nguyên liệu đầu vào, góp phần giảm phát thải khí độc ra môi trường.

Vai trò then chốt của xúc tác và thiết bị

Hiệu quả của các lộ trình điện hóa phụ thuộc lớn vào thiết kế xúc tác. Nhiều nghiên cứu cho thấy các chiến lược như biến tính bề mặt tinh thể kim loại hay xúc tác đơn nguyên tử (ví dụ Fe–N–C, Cu–N–C) có thể cải thiện đáng kể tốc độ phản ứng và độ chọn lọc tạo amoniac.

Bên cạnh đó, sự xuất hiện của điện cực khuếch tán khí (GDE) đang giúp khắc phục các hạn chế về chuyển khối, cho phép hệ thống vận hành ở mật độ dòng điện cao hơn – yếu tố then chốt để tiến tới quy mô công nghiệp.

Hiệu quả nguyên tử và năng lượng của quá trình cố định nitơ

Các giá trị số thể hiện năng lượng Gibbs chuẩn (tính bằng kJ/mol N₂ được cố định) theo chiều mũi tên.

Các mũi tên màu vàng biểu thị ngành công nghiệp sản xuất amoniac hiện nay, trong khi các mũi tên màu tím minh họa lộ trình tổng hợp amoniac xanh được đề xuất thông qua con đường nitrate.

Hình được chuyển thể và hiệu chỉnh với sự cho phép từ Chen và cộng sự.

Bản quyền © 2018 Hiệp hội Hoa Kỳ vì Sự Tiến bộ của Khoa học (AAAS), Science.

Từ phòng thí nghiệm đến thực tiễn ngành hóa chất

Dù vẫn còn những thách thức về độ bền xúc tác và điện áp vận hành, các chuyên gia nhận định rằng sự kết hợp giữa khử trực tiếp nitơ và các lộ trình khử nitrate/NOx có thể tạo nên một cuộc cách mạng trong sản xuất amoniac.

Trong tương lai, ngành hóa chất có thể chứng kiến sự dịch chuyển từ các tổ hợp sản xuất tập trung quy mô lớn sang các hệ thống điện hóa linh hoạt, phân tán, gắn với nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí năng lượng, mà còn giảm đáng kể dấu chân carbon của phân bón và hóa chất.

Đối với doanh nghiệp, việc theo dõi và đón đầu các công nghệ điện hóa tổng hợp amoniac ngay từ hôm nay sẽ là lợi thế chiến lược, giúp đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe về môi trường và phát triển bền vững trong những năm tới.

Nguồn: Tổng hợp từ bài báo "Recent advances and challenges of electrochemical ammonia synthesis" (Xianbiao Fu và cộng sự).