Quy trình Haber-Bosch, thường được sử dụng để tổng hợp amoniac (NH3), nguyên liệu nền tảng cho phân bón nitơ tổng hợp bằng phương pháp kết hợp hydro (H2) và nitơ (N2) qua các chất xúc tác ở áp suất và nhiệt độ cao, là một phát minh khoa học quan trọng nhất, công nghệ mang tính đột phá đã giúp nâng cao năng suất cây trồng và sản lượng lương thực trên toàn thế giới.

Nhưng do những yêu cầu về nhiệt độ và áp suất cao của quy trình, cần có đầu vào năng lượng nhiên liệu hóa thạch lớn. Hydro được sử dụng trong phương pháp này có nguồn gốc từ khí tự nhiên (metan). Quá trình sản xuất hydro tiêu tốn rất nhiều năng lượng và xả thải nhiều CO2.

Để giải quyết những thách thức này, các nhà khoa học đã chế tạo một số chất xúc tác, cho phép phản ứng diễn ra ở những điều kiện nhẹ nhàng hơn như sử dụng hydro, sản xuất từ quá trình điện phân nước, sử dụng năng lượng tái tạo. Trong những chất đó có các chất xúc tác trên cơ sở nitrua chứa các hạt nano kim loại hoạt tính cao như niken và coban (Ni, Co) được tải trên các chất hỗ trợ lanthanum nitride (LaN).

 Một infographic giải thích chất xúc tác. Ảnh: Công nghệ Tokyo

Cả chất hỗ trợ và kim loại hoạt tính cao đều tham gia vào quá trình hình thành NH3 trong các chất xúc tác này. Kim loại hoạt tính cao phân tách H2, cấu trúc tinh thể của chất hỗ trợ LaN chứa các chỗ trống nitơ và các nguyên tử nitơ, LaN hấp thụ và kích hoạt nitrogel (N2).

Mặc dù những chất xúc tác này rẻ (vì không cần kim loại ruthenium đắt tiền), nhưng hiệu suất xúc tác các chất xúc tác bị ảnh hưởng khi tiếp xúc với độ ẩm, khiến LaN biến đổi thành lantan hydroxit (La(OH)3).

Trong một nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Angewandte Chemie, các nhà khoa học từ Trung Quốc và Nhật Bản do GS Hideo Hosono thuộc Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech) , Nhật Bản đã phát triển một chất xúc tác ổn định về mặt hóa học, ổn định khi có độ ẩm.

Lấy ý tưởng từ những hợp chất đất hiếm ổn định có chứa liên kết hóa học giữa kim loại đất hiếm (trong trường hợp này là La) và kim loại, nhóm nhà khoa học kết hợp các nguyên tử nhôm vào cấu trúc LaN, tổng hợp chất hỗ trợ La3AlN ổn định hóa học có chứa liên kết La-Al, ngăn chặn không cho các nguyên tử lantan phản ứng với độ ẩm.

Chất hỗ trợ La-Al-N cùng với các kim loại hoạt tính cao như niken và coban (Ni, Co) có thể tạo ra NH3 với tốc độ tương tự như các chất xúc tác nitrua kim loại thông thường và duy trì sản xuất ổn định khi được cung cấp khí nitơ có chứa độ ẩm. GS Hosono cho biết: “Các chất xúc tác Ni- hoặc Co- tải trên chất hỗ trợ La-Al-N không cho thấy sự suy giảm rõ rệt khi tiếp xúc với độ ẩm 3,5%.”

Trong khi các nguyên tử Al làm ổn định chất hỗ trợ, thì các nitơ khiếm khuyết nitơ và nitơ mạng tinh thể có trong chất hỗ trợ pha tạp cho phép quá trình tổng hợp amoniac theo phương thức tương tự như các chất xúc tác nitrua kim loại đất hiếm/kim loại hoạt tính thông thường.

“Nitơ mạng tinh thể, cũng như chỗ trống nitơ trong La-Al-N đóng vai trò chính trong quá trình hấp phụ N2, chất hỗ trợ La-Al-N và kim loại hoạt tính cao Ni chịu trách nhiệm hấp thụ và kích hoạt N2 và H2 tương ứng,” GS Hosono giải thích.

Quy trình Haber-Bosch là một phản ứng hóa học sử dụng nhiều năng lượng, chiếm khoảng 1% lượng khí thải carbon dioxide hàng năm trên toàn cầu. Trong khi những phương pháp thay thế thân thiện với môi trường để sản xuất NH3 đang được nghiên cứu và phát triển, các chất xúc tác rẻ tiền có thể mang lại lợi ích ngay bằng giải pháp cho phép quy trình sản xuất hoạt động trong điều kiện bớt khắc nghiệt hơn.