NH3 một hợp chất vô cơ với tên thường gọi là amoniac là một trong những hóa chất được sản xuất nhiều nhất trên thế giới. Hợp chất này là một phần không thể thiếu của phân bón và cung cấp nitơ cho cây trồng. Dân số thế giới ngày càng tăng không thể được nuôi dưỡng đầy đủ nếu không có phân bón dựa trên nitơ.

Hiện nay có khoảng 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 để làm nhiên liệu vận chuyển. Amoniac là ứng cử viên hàng đầu cho việc lưu trữ năng lượng trong nền kinh tế hydro khi khí hydro được sử dụng trong pin nhiên liệu.

Ứng dụng của amoniac

Phương pháp Haber-Bosch

Phương pháp vi sinh cố định đạm trước đây, đã được đề xuất như một phương pháp thay thế nhẹ nhàng cho phương pháp Haber-Bosch bằng cách sử dụng enzym nitrogenase, nhưng phương pháp này chậm và không phù hợp cho công nghiệp hóa.

Amoniac được sản xuất công nghiệp bằng quy trình Haber-Bosch, trong đó hydro và nitơ được phản ứng qua chất xúc tác kim loại ở nhiệt độ và áp suất cao. Quá trình này sử dụng khí tự nhiên làm nguyên liệu thô, tiêu tốn nhiều điện và khí hydro, đồng thời thải ra khoảng 1,9 tấn CO2 trên 1 tấn amoniac. Quy trình Haber-Bosch chiếm 1,4% lượng khí thải CO2 và chỉ có thể vận hành hiệu quả ở các nhà máy lớn, thâm dụng vốn. 

Nitơ chiếm 77% không khí và về mặt lý thuyết là nguồn nitơ vô tận để tổng hợp amoniac. Nhưng trong thực tế nitơ phản ứng rất chậm với các nguyên tố khác. Được phát triển hơn 100 năm trước, quy trình Haber-Bosch các chất xúc tác kim loại thúc đẩy nhanh phản ứng chậm chạp này. Chất xúc tác kim loại nặng được kích hoạt bằng nitơ phản ứng với hydro dưới áp suất và nhiệt độ cao để tạo ra amoniac.

Tổng hợp amoni clorua để sản xuất amoniac nhẹ

Phương pháp sản xuất amoniac sạch

Một nhóm các nhà khoa học Pháp đã công bố một phương pháp sản xuất amoniac mới trên tạp chí Angewandte Chemie. 

Quá trình này sử dụng một hợp chất dựa trên boron có tính năng phản ứng hóa học cao (boron, một khoáng chất tự nhiên bền vững) để chuyển đổi hiệu quả nitơ trong khí quyển thành amoni clorua với việc bổ sung axit. Quá trình biến đổi này diễn ra trong dung dịch ở nhiệt độ phòng và không cần sử dụng kim loại hoặc khí hydro.

Một nhóm nghiên cứu do TS. Nicolas Mézailles thuộc Đại học Paul Sabatier, CNRS, ở Toulouse, Pháp dẫn đầu đã phát hiện ra các hợp chất gốc boron có hoạt tính cao, hoạt động rất hiệu quả và có thể kích hoạt các nitơ phân tử. Nhóm mô tả các kết luận ban đầu của họ như sau: 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.

Các tính toán lý thuyết của nhóm cho thấy 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 cách thêm một chất khử mạnh vào các halogenua boron hữu cơ. Hợp chất thu được có tính phản ứng cao, chuyển đổi các phân tử nitơ trong không khí thành borylamine ở nhiệt độ phòng, sau đó phản ứng với axit trong nước để tạo thành amoni clorua, phân hủy thành amoniac khi gia nhiệt.

Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Mezeille đã phát triển một phương pháp mới để cố định nitơ trong dung dịch bằng giải pháp sử dụng các hợp chất gốc. 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 được các nhà khoa học xác định được trong phòng thí nghiệm. Cách tiếp cận trên cơ sở này đã mở ra cơ hội sản xuất amoniac sạch mà không phụ thuộc vào nguyên liệu thô hóa thạch.

(Theo SciTech Daily) 

Tag: sản xuất amoniac hydro nitơ boron