VINACHEM

Cách đây gần 1 thế kỷ, nhà hóa học Đức Fritz Haber đã được nhận Giải thưởng Nobel Hóa học vì phát minh ra quy trình sản xuất amoniăc từ các khí hydro và nitơ. Quy trình này về sau được nâng cấp lên quy mô sản xuất công nghiệp và được gọi là quy trình Haber-Bosch.

Phát minh của Haber đã tạo ra một cuộc cách mạng trong sản xuất nông nghiệp toàn cầu. Ngày nay, quy trình Haber-Bosch vẫn được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Mỗi năm, có gần 500 triệu tấn amoniăc được sản xuất theo công nghệ này.

Nhưng sản xuất amoniăc theo công nghệ của Haber đòi hỏi phải sử dụng một lượng năng lượng rất lớn. Đây là năng lượng cần thiết để đạt được áp suất và nhiệt độ cao dẫn đến những phản ứng hóa học tạo ra amoniăc. Mỗi năm, sản xuất amoniăc theo quy trình Haber-Bosch tiêu thụ khoảng 1% năng lượng của thế giới.

Vừa qua, các nhà hóa học tại Đại học Tổng hợp Utah (Mỹ) công bố đã phát hiện một phương pháp mới để sản xuất amoniăc. Họ sử dụng một loại enzym lấy từ thiên nhiên và có khả năng tạo ra amoniăc ở nhiệt độ phòng. Một điểm đáng chú ý của phương pháp này là quá trình sản xuất amoniăc cũng sinh ra một dòng điện nhỏ.

Tuy hiện tại các nhà hóa học tại ĐHTH Utah chỉ mới sản xuất được những lượng nhỏ amoniăc, nhưng phương pháp của họ có thể mở ra triển vọng về một nguồn cung ứng amoniăc với tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều so với phương pháp tổng hợp truyền thống.

Theo các nhà hóa học Utah, đây là một quá trình tự phát nên nó không cần năng lượng đưa vào mà trái lại còn tự sản sinh ra điện năng.

Cả hai quy trình của Haber và của các nhà hóa học Utah đều dựa trên những nguyên lý hóa học cơ bản. Để sản xuất amoniăc, các nhà hóa học phải phá vỡ liên kết mạnh giữa hai nguyên tử trong khí nitơ, sau đó khử nitơ và bổ sung hydro để tạo thành phân tử amoniăc. Trong quy trình Haber, hydro và nitơ được bơm qua các tầng xúc tác kim loại với áp suất gấp 250 lần áp suất khí quyển và nhiệt độ đến 500^oC.

Trong sinh học, việc chuyển hóa khí nitơ thành amoniăc được gọi là “cố định đạm” và được thực hiện thông qua một số phương pháp, trong đó có cả phương pháp sử dụng enzym nitrogenaza. Nitrogenaza là enzym duy nhất được biết có khả năng khử nitơ thành amoniăc. Enzym này ít khi được nghiên cứu cho các ứng dụng pin nhiên liệu, vì nó thường không có sẵn trên thị trường và phải được thao tác trong môi trường không có oxy.

Một trong những thành công của nhóm nghiên cứu tại Utah là đã thiết kế được bề mặt tiếp xúc thích hợp giữa enzym và điện cực, nhờ đó enzym có thể tương tác với điện cực. Họ đã tạo ra một hệ thống pin nhiên liệu mô phỏng quá trình cố định đạm sinh học, trong đó sử dụng các enzym nitrogenaza và hydrogenaza để tách điện tử ra khỏi hydro và cung cấp cho phản ứng khử nitơ.

Pin nhiên liệu nói trên gồm có hai khoang, chúng liên kết với nhau bằng các điện cực giấy cacbon. Trong một khoang, khí hydro được oxy hóa bằng hydrogenaza, điện tử sinh ra được đưa đến anôt. Trong khoang thứ hai, điện tử ra khỏi catôt và kết hợp với nitơ nhờ tác động của nitrogenaza, qua đó tạo thành amoniăc.

Điện tử di chuyển từ anôt đến catôt trong một mạch điện. Đồng thời, các proton di chuyển qua màng ngăn giữa hai khoang anôt và catôt, chúng cung cấp các nguyên tử hydro cần thiết cho phản ứng tổng hợp amoniăc.

Chuyển động của các điện tử tạo thành dòng điện và đây chính là lượng điện nhỏ mà phản ứng tạo ra.

Vấn đề nâng cấp

Các nhà hóa học sẽ còn phải vượt qua một số thách thức lớn để có thể nâng cấp quy trình ở quy mô nhỏ nói trên và đưa ra áp dụng trong công nghiệp. Một trong những thách thức như vậy là tính nhạy cảm của nitrogenaza, một thách thức khác là việc phải sử dụng ATP khó điều chế và đắt tiền - ATP là nguồn cung cấp năng lượng trong các tế bào và trong phản ứng cố định đạm. Các nhà hóa học utah cho biết, việc thiết kế lại phản ứng để tránh sử dụng ATP sẽ giúp cho công nghệ pin nhiên liệu tiến lên một cấp mới.

Khía cạnh đáng chú ý và có thể mang lại nhiều tác động nhất của nghiên cứu nói trên là khả năng sản xuất amoniăc mà không sử dụng nhiều năng lượng như quá trình công nghiệp tiêu chuẩn hiện nay. Theo các nhà nghiên cứu, ý nghĩa thật sự của nghiên cứu này không phải là lượng amoniăc được tạo ra mà là khả năng sản xuất điện khi sản xuất amoniăc.

HS

Theo ScienceDaily, 2/2017