Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Bảo Hiền tổng hợp

Quy trình sản xuất urea - loại phân đạm phổ biến nhất thế giới - từ trước đến nay đều phải đi qua một bước trung gian bắt buộc: tổng hợp amoniac bằng quy trình Haber-Bosch, vốn tiêu tốn nhiều năng lượng và phát thải lượng khí CO₂ đáng kể. Một nhóm nghiên cứu tại Úc vừa công bố một hướng đi khác hẳn: tổng hợp trực tiếp urea bằng điện hóa, kết hợp CO₂ với các hợp chất nitơ có trong nước thải ô nhiễm, bỏ qua hoàn toàn bước trung gian amoniac.

Bài toán khó: ghép carbon với nitơ trong điều kiện ôn hòa

Về mặt hóa học, urea là phân tử chứa cả nguyên tử carbon và nitơ. Thử thách lớn nhất khi tổng hợp urea trực tiếp từ CO₂ và các hợp chất nitơ bằng điện hóa nằm ở việc tạo ra liên kết carbon-nitơ (C-N) một cách có kiểm soát và ổn định - hai nguyên tố này không dễ dàng kết hợp với nhau trong điều kiện phản ứng ôn hòa như vậy.

Nhóm nghiên cứu giải quyết vấn đề này bằng một hệ xúc tác hai kim loại gồm đồng và coban, hoạt động ở cấp độ nguyên tử. Theo tác giả chính của nghiên cứu, hệ xúc tác được thiết kế để "giữ các phân tử gốc carbon và gốc nitơ lại đủ lâu để chúng phản ứng với nhau."

Cơ chế: mỗi kim loại đảm nhiệm một vai trò riêng

Phân tích quang phổ điện hóa trực tiếp (spectroelectrochemical) trong quá trình phản ứng - sử dụng kỹ thuật hồng ngoại và Raman tại nguồn synchrotron - cho thấy đồng và coban không hoạt động giống nhau mà đảm nhiệm hai vai trò bổ trợ lẫn nhau. Đồng chủ yếu ổn định các chất trung gian có gốc từ CO₂ (các nhóm *CO và *COOH), trong khi coban thúc đẩy quá trình khử nitrite (NO₂^-) và ổn định nhóm *NH₂. Việc hai loại chất trung gian - một gốc carbon, một gốc nitơ - được tạo ra đồng thời ngay tại vùng tiếp giáp giữa hai kim loại là yếu tố cho phép chúng ghép nối hiệu quả thành liên kết C-N, từ đó hình thành urea.

Thử nghiệm đối chứng cho thấy rõ vai trò không thể thay thế của từng kim loại: xúc tác đồng tinh khiết hoàn toàn không tạo ra sản phẩm chứa liên kết C-N, chỉ cho ra formate và cồn; xúc tác coban tinh khiết chủ yếu tạo ra amoni và khí hydro, cũng không hình thành urea. Chỉ khi kết hợp cả hai kim loại ở giao diện chung, phản ứng ghép nối carbon-nitơ mới xảy ra hiệu quả.

Kết quả: tỷ lệ 1:1 cho hiệu suất tốt nhất, ổn định sau 48 giờ

Ở tỷ lệ đồng-coban 1:1, hệ xúc tác đạt sản lượng urea 61±6 mmol mỗi giờ trên mỗi gram xúc tác, với hiệu suất Faraday (tỷ lệ điện năng chuyển hóa thành sản phẩm mong muốn) đạt 11±2%. Xúc tác duy trì khả năng sản xuất ổn định trong suốt 48 giờ liên tục, với tỷ lệ thất thoát kim loại dưới 10% - cho thấy độ bền tương đối tốt trong điều kiện vận hành thử nghiệm.

Nguồn nguyên liệu: không cần thu CO2 trực tiếp từ không khí

Một điểm đáng chú ý trong định hướng phát triển của nhóm nghiên cứu là nguồn CO₂ đầu vào không nhất thiết phải đến từ công nghệ thu giữ carbon trực tiếp từ không khí (direct air capture) - vốn tốn nhiều năng lượng. Thay vào đó, nhóm ưu tiên hướng tới các dòng khí thải công nghiệp khó tránh khỏi, như khí thải từ nhà máy xi măng, hoặc nguồn CO₂ có nguồn gốc sinh học từ phụ phẩm nông nghiệp. Về phía nitơ, nguyên liệu đầu vào là nitrate và nitrite - các hợp chất ô nhiễm thường có trong nước thải nông nghiệp và công nghiệp - nghĩa là về bản chất, quy trình này đồng thời xử lý hai dòng chất thải gây ô nhiễm để tạo ra một sản phẩm có giá trị.

Toàn bộ hệ thống được thiết kế để vận hành bằng điện tái tạo (gió, mặt trời), loại bỏ hoàn toàn nhu cầu về nhiệt độ và áp suất cao đặc trưng của quy trình Haber-Bosch truyền thống.

Vẫn còn ở giai đoạn phòng thí nghiệm

Nhóm nghiên cứu xác nhận công nghệ hiện vẫn đang trong giai đoạn phát triển, với kết quả ban đầu "cho thấy độ chọn lọc đầy hứa hẹn trong điều kiện phòng thí nghiệm" - nói cách khác, còn một khoảng cách đáng kể trước khi có thể thương mại hóa. Hiệu suất Faraday 11% hiện tại vẫn còn thấp so với mức cần thiết cho ứng dụng công nghiệp quy mô lớn, và nghiên cứu chưa đề cập đến các yếu tố quan trọng khác như so sánh chi phí kinh tế với quy trình Haber-Bosch truyền thống hay lộ trình thử nghiệm ở quy mô thí điểm (pilot scale). Dù vậy, việc chứng minh được cơ chế ghép nối carbon-nitơ hoạt động thực sự trên một hệ xúc tác hai kim loại cụ thể - thay vì chỉ là giả thuyết lý thuyết - được xem là bước tiến quan trọng cho hướng nghiên cứu tổng hợp urea điện hóa, lĩnh vực vẫn còn ở giai đoạn sơ khai trên toàn cầu.

Nguồn:
Ramadhany, P., Trần-Phú, T., Yuwono, J. A., Hocking, R. K., Ma, Z., Ta, X. M. C., Kumar, P., Gunawan, D., Johannessen, B., Tricoli, A., Simonov, A. N., Amal, R., & Daiyan, R. (2026). Spectroelectrochemical insight into copper cobalt catalysts for CO2 and nitrite co-electroreduction to urea. Nature Communications, 17, Article 1776. https://doi.org/10.1038/s41467-026-68481-6