Amoniac là một trong những hóa chất được sản xuất nhiều nhất trên toàn thế giới. Hợp chất này là thành phần thiết yếu của phân bón, cung cấp nitơ cho cây trồng. Không có phân bón gốc nitơ, không thể cung cấp đủ lương thực cho dân số thế giới ngày càng tăng.
Hiện nay, 150 triệu tấn amoniac được sản xuất trên toàn thế giới; con số này dự kiến sẽ tăng hơn gấp đôi vào năm 2050. Amoniac cũng là một nguyên liệu đầy hứa hẹn làm nhiên liệu vận tải. Amoniac là ứng viên hàng đầu có khả năng lưu trữ năng lượng trong nền kinh tế hydro khi khí hydro được sử dụng trong các pin nhiên liệu.
Cho đến nay, các phương pháp vi sinh cố định đạm là phương pháp nhẹ nhàng hơn, được đề xuất thay thế cho quy trình Haber–Bosch bằng cách sử dụng các enzym nitrogenase, nhưng quá trình này diễn ra chậm và không phù hợp với công nghiệp hóa.
Sản xuất công nghiệp amoniac sử dụng quy trình Haber–Bosch, trong đó hydro và nitơ phản ứng ở nhiệt độ và áp suất cao trên chất xúc tác kim loại. Quá trình này sử dụng khí tự nhiên làm nguyên liệu thô, sử dụng nhiều điện năng và khí hydro, xả lượng khí thải CO2 lớn, khoảng 1,9 tấn CO2 trên mỗi tấn amoniac. Quá trình Haber–Bosch đóng góp 1,4 % lượng khí thải CO2 của thế giới và chỉ có thể được vận hành một cách kinh tế ở những đơn vị lớn, thâm dụng vốn.
Nitơ chiếm 77% trong không khí, về lý thuyết, nguồn nitơ gần như vô tận để tổng hợp amoniac. Nhưng trong thực tế, nitơ chỉ phản ứng rất chậm với những nguyên tố khác. Trong quy trình Haber–Bosch, được phát triển hơn 100 năm trước, các chất xúc tác kim loại thúc đẩy nhanh phản ứng chậm chạp này. Chất xúc tác kim loại nặng kích hoạt nitơ phản ứng với hydro dưới áp suất và nhiệt độ cao để tạo ra amoniac.
Một nhóm nhà khoa học Pháp đã công bố một phương pháp mới, sản xuất amoniac trên tạp chí Angewandte Chemie.
Phương pháp này, sử dụng các hợp chất gốc boron (boron, một khoáng chất tự nhiên bền vững) có tính năng phản ứng hóa học cao để chuyển đổi nitơ trong khí quyển thành amoni clorua hiệu quả sau khi bổ sung axit . Quá trình chuyển đổi này diễn ra trong dung dịch ở nhiệt độ phòng và không cần sử dụng kim loại hoặc khí hydro.
 |
Tổng hợp amoni clorua để sản xuất amoniac nhẹ, Ảnh: © Wiley-VCH, Angewandte Chemie |
Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu là GS TS Nicolas Mézailles thuộc Đại học Paul Sabatier, CNRS,ở Toulouse, Pháp phát hiện được các hợp chất gốc boron hoạt tính cao, có thể tác động và kích hoạt các nitơ phân tử rất hiệu quả. Nhóm nghiên cứu giải thích suy luận ban đầu: “Chúng tôi đã xem xét và lập luận rằng, sử dụng các gốc năng lượng cao có thể tạo ra một con đường thuận lợi trên cơ sở động học và nhiệt động học để chức năng hóa nitơ.”
Những tính toán lý thuyết của nhóm cho thấy, các gốc boron tự do được xác định là những ứng viên phù hợp. Các nhà khoa học tạo ra các gốc boron tự do bằng phương pháp thêm một chất khử mạnh vào những halogenua boron hữu cơ. Những hợp chất thu được có khả năng phản ứng cao, cho phép chuyển đổi nitơ phân tử trong không khí ở nhiệt độ phòng thành borylamine, sau đó phản ứng với axit trong nước để tạo ra amoni clorua, phân hủy khi gia nhiệt thành amoniac.
Nhóm nghiên cứu của GS Mézailles đã đưa ra phương pháp mới cố định nitơ trong dung dịch bằng giải pháp sử dụng các hợp chất gốc. Các nhà khoa học trong thí nghiệm xác định được, những gốc boron tự do được tạo ra phá vỡ hiệu quả liên kết ba ổn định trong phân tử nitơ, giúp phân tử nitơ có thể thực hiện các phản ứng kết hợp trong điều kiện ôn hòa. Phương pháp tiếp cận trên cơ sở này đã mở ra những khả năng sản xuất amoniac sạch, không phụ thuộc vào nguyên liệu thô hóa thạch.
Theo SciTech Daily
