Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tokyo đã sử dụng phương pháp "quang hợp nhân tạo" để sản xuất amoniac bằng nitơ trong khí quyển, nước và ánh sáng mặt trời, giống như cách vi khuẩn lam tổng hợp khí trong mối quan hệ cộng sinh với thực vật. Thành tựu này có thể mở khóa các sản phẩm amoniac có chi phí năng lượng thấp trong tương lai.

Sản xuất amoniac là đầu vào quan trọng trong nông nghiệp toàn cầu vì nó được sử dụng để sản xuất urê, một loại phân bón cần thiết cho sản xuất cây trồng quy mô lớn. Ước tính cho thấy 200 triệu tấn amoniac sản xuất mỗi năm, trong đó hơn 80 phần trăm được sử dụng trong nông nghiệp.

Chỉ gồm hai thành phần là nitơ và hydro, amoniac đã được sản xuất ở quy mô công nghiệp bằng quy trình Haber-Bosch, trong đó các khí phản ứng trong điều kiện nhiệt độ, áp suất cao. Tuy nhiên, đây là quy trình tiêu tốn nhiều năng lượng, cũng góp phần vào hai phần trăm lượng khí thải carbon toàn cầu. Đây là lý do tại sao một giải pháp thay thế thân thiện hơn với môi trường đã được tìm kiếm để sản xuất amoniac.

Sản xuất amoniac tốn nhiều năng lượng, một cách tiếp cận mới có thể giúp thay đổi điều này.

Quang hợp nhân tạo để tạo ra amoniac

Một nhóm nghiên cứu do Yoshiaki Nishibayashi, Giáo sư Khoa Hóa học Ứng dụng tại Đại học Tokyo dẫn đầu hiện đã thành công trong việc phát triển hệ thống mà nitơ trong khí quyển và nước phản ứng để tạo ra amoniac khi có ánh sáng mặt trời. Điều này tương tự như quá trình mà vi khuẩn cộng sinh sử dụng khi cố định nitơ cho cây trồng.

Tuy nhiên, phản ứng không thể được sao chép dễ dàng như vậy bên ngoài tế bào vi khuẩn. Do đó, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang chất xúc tác – chất giúp thực hiện phản ứng bằng cách hạ thấp nhiệt độ hoặc thời gian yêu cầu mà không bị tiêu thụ. Chìa khóa thành công của họ là sử dụng kết hợp các chất xúc tác để thực hiện phản ứng.

“Chúng tôi đã sử dụng chất xúc tác quang iridium và hóa chất khác gọi là tertiary phosphine, cho phép kích hoạt quang hóa các phân tử nước. Hiệu suất phản ứng cao hơn mong đợi, so với các báo cáo trước đây về sự hình thành amoniac quang xúc tác do ánh sáng khả kiến thúc đẩy”, Nishibayashi giải thích.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng hai chất xúc tác, cả hai đều dựa trên kim loại chuyển tiếp, iridi và molypden trong các thí nghiệm của họ. Chất xúc tác dựa trên iridi được sử dụng để kích hoạt phosphine bậc ba và nước, trong khi chất xúc tác dựa trên molypden kích hoạt dinitrogen. Phosphine bậc ba cũng đóng vai trò trong việc biến các phân tử nước thành proton giúp tạo ra amoniac như sản phẩm cuối cùng.

“Khi chất xúc tác quang iridium hấp thụ ánh sáng mặt trời, trạng thái kích thích của nó có thể oxy hóa các phosphine bậc ba. Các phosphine bậc ba bị oxy hóa sau đó kích hoạt các phân tử nước thông qua việc hình thành liên kết hóa học giữa nguyên tử phốt pho của phosphine và nước, tạo ra các proton”, Nishibayashi nhấn mạnh

Chất xúc tác molypden sau đó cho phép nitơ liên kết với các proton này để trở thành amoniac. Việc sử dụng nước để sản xuất dihydrogen hoặc các nguyên tử hydro là một trong những quy trình quan trọng nhất để đạt được sản xuất amoniac xanh.

So sánh phản ứng với quá trình quang hợp amoniac, Nishibayashi cho biết thêm, ở đây, các electron cho phản ứng được cung cấp bởi quá trình quang hợp và các proton có nguồn gốc từ nước. Do đó, phát hiện trong nghiên cứu gần đây có thể được coi là ví dụ thành công về quá trình quang hợp amoniac nhân tạo.

Nguồn: vietq.vn