Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice thiết kế thành công một vật liệu nano kích hoạt bằng ánh sáng quan trọng cho nền kinh tế hydro. Sử dụng các nguyên liệu thô rẻ tiền, các nhà khoa học chế tạo một chất xúc tác có thể sản xuất công nghiệp, chỉ cần năng lượng ánh sáng để chuyển đổi amoniac thành nhiên liệu hydro sạch.

Nghiên cứu, được công bố ngày 24/11 trên tạp chí Science, do một nhóm các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm Nanophotonics của Đại học Rice, Syzygy Plasmonics Inc. và Trung tâm Năng lượng và Môi trường Andlinger thuộc Đại học Princeton .

Nghiên cứu này phù hợp với chính sách đầu tư của chính phủ và ngành công nghiệp nhằm xây dựng cơ sở hạ tầng và thị trường cho nhiên liệu amoniac lỏng, không chứa carbon, loại khí thải gây ra hiệu ứng nhà kính kết hợp.

Do dễ dàng vận chuyển và mang nhiều năng lượng, cấu trúc phân tử có 1 nguyên tử nitơ và 3 nguyên tử hydro, amoniac lỏng là nhiên liệu sạch đầy hứa hẹn cho hệ thống năng lượng tương lai.

Chất xúc tác mới trong công trình nghiên cứu sẽ phá vỡ các phân tử amoniac (NH₃) thành khí hydro (H₂), nhiên liệu sạch và khí nitơ (N₂), thành phần lớn nhất của khí quyển Trái đất. Có ưu thế hơn hẳn các chất xúc tác truyền thống, chất xúc tác mới không cần gia nhiệt mà sử dụng năng lượng từ ánh sáng thông thường, ánh sáng mặt trời hoặc đèn LED tiết kiệm năng lượng.

Tốc độ của những phản ứng hóa học thường tăng theo nhiệt độ và các nhà sản xuất hóa chất đã tận dụng điều này trong hơn một thế kỷ bằng phương pháp sử dụng nhiệt ở quy mô công nghiệp.

Quy trình sử dụng nhiên liệu hóa thạch để tăng nhiệt độ của các bình phản ứng lớn lên hàng trăm hoặc hàng nghìn độ tạo ra lượng khí thải carbon khổng lồ. Các nhà sản xuất hóa chất cũng chi hàng tỷ đô la mỗi năm cho các chất xúc tác nhiệt, những vật chất không tham gia phản ứng nhưng tăng tốc độ phản ứng dưới tác động của nhiệt độ cao.

Đồng tác giả nghiên cứu GS Naomi Halas thuộc Đại học Rice cho biết: “Các kim loại chuyển tiếp như sắt thường là chất xúc tác nhiệt kém. Nghiên cứu này cho thấy kim loại này có thể là chất xúc tác quang plasmon hiệu quả. Nghiên cứu cũng chứng minh được, quang xúc tác có thể được thực hiện hiệu quả với các nguồn photon đèn LED rẻ tiền.”

GS Vật lý học Peter Nordlander từ Rice, đồng tác giả cho biết: “Khám phá này mở đường cho công nghệ sản xuất hydro bền vững, chi phí thấp có thể được sản xuất tại địa phương thay vì ở các nhà máy tập trung quy mô lớn.

 Thiết bị xúc tác quang, sử dụng trong các thử nghiệm chất xúc tác quang plasmonic đồng-sắt để sản xuất hydro từ amoniac. Ảnh Brandon Martin/Đại học Rice

Các chất xúc tác nhiệt tốt nhất thường được chế tạo từ bạch kim và các kim loại quý có liên quan như palladi, rhodium và rutheni. GS Halas và GS Nordlander đã dành nhiều năm để phát triển các hạt nano kim loại được kích hoạt bằng ánh sáng hoặc plasmonic. Những xúc tác tốt nhất thường được chế tạo bằng kim loại quý như bạc và vàng.

Sau phát minh năm 2011 về các hạt plasmon phát ra các electron năng lượng cao, tồn tại trong thời gian ngắn được gọi là “chất mang nhiệt”. Năm 2016, các nhà khoa học đã phát hiện được, các nguồn phát “chất mang nhiệt” có thể kết hợp với các hạt xúc tác để tạo ra “lò phản ứng ăng ten” lai ghép, trong đó một một phần hấp thụ năng lượng từ ánh sáng và phần còn lại sử dụng năng lượng để điều khiển các phản ứng hóa học với độ chính xác phẫu thuật.

GS Halas, GS Nordlander, các sinh viên và cộng tác viên trong nhóm đã làm việc nhiều năm để tìm ra những giải pháp thay thế bằng kim loại thông thường cho cả hai nửa thu năng lượng và thúc đẩy tăng tốc độ phản ứng của lò phản ứng ăng-ten. Công trình nghiên cứu mới là đỉnh cao của những nghiên cứu trước đó. 

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học GS Halas, GS Nordlander, cựu sinh viên Rice Hossein Robatjazi, kỹ sư Princeton và nhà hóa học vật lý Emily Carter cùng các đồng nghiệp đã xác định được các hạt của lò phản ứng ăng-ten làm bằng đồng và sắt có hiệu quả cao trong quá trình chuyển đổi amoniac thành hydro và ni tơ. Mảnh thu năng lượng bằng đồng của các hạt hấp thụ năng lượng từ ánh sáng nhìn thấy thông thường.

Một lò phản ứng antena (trái) và thiết bị xúc tác quang (phải) được sử dụng trong các thử nghiệm chất xúc tác quang plasmonic đồng-sắt sản xuất hydro từ amoniac tại Syzygy Plasmonics ở Houston. Tất cả năng lượng phản ứng cho chất xúc tác là ánh sáng đèn LED có bước sóng 470 nanomet. Ảnh: Syzygy Plasmonics, Inc.

 “Khi không có ánh sáng, chất xúc tác đồng-sắt thể hiện khả năng phản ứng thấp hơn khoảng 300 lần so với chất xúc tác đồng-ruthenium, tình huống này không ngạc nhiên vì ruthenium là chất xúc tác nhiệt tốt hơn cho phản ứng này,” TS Robatjazi, cựu sinh viên thuộc nhóm nghiên cứu của Halas, hiện là giám đốc khoa học của công ty Syzygy Plasmonics cho biết: “Dưới tác động của ánh sáng thông thường, chất xúc tác hạt nano đồng-sắt cho thấy hiệu quả và khả năng phản ứng tương tự và hiệu quả ngang với đồng-ruthenium.

Syzygy đã cấp phép cho công nghệ lò phản ứng ăng-ten của Đại học Rice và nghiên cứu bao gồm những thử nghiệm quy mô lớn về hoạt động của chất xúc tác trong các lò phản ứng chạy bằng đèn LED có bán trên thị trường của doanh nghiệp. Trong những thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tại Rice, các chất xúc tác đồng-sắt được chiếu sáng bằng tia laze. Những thử nghiệm trong các lò phản ứng của Syzygy cho thấy, các chất xúc tác vẫn giữ được hiệu quả thúc đẩy phản ứng phân tách amoniac dưới ánh sáng đèn LED và trên quy mô lớn hơn 500 lần so với thử nghiệp, được thiết lập trong phòng thí nghiệm.

GS Halas cho biết: “Đây là báo cáo đầu tiên trong tài liệu khoa học cho thấy quang xúc tác với đèn LED có thể tạo ra lượng khí hydro từ amoniac ở quy mô gam. Kết quả này mở ra cơ hội thay thế hoàn toàn các kim loại quý trong quang xúc tác plasmon.”

GS Carter nói thêm: “Với tiềm năng giảm đáng kể lượng khí thải carbon của ngành hóa học, các chất xúc tác quang lò phản ứng ăng-ten plasmon cần được nghiên cứu sâu hơn nữa. “Những kết quả đạt được là một động lực tuyệt vời, cho thấy khả năng sự kết hợp của nhiều kim loại có thể được sử dụng để sản xuất chất xúc tác hiệu quả về chi phí cho hàng loạt các phản ứng hóa học.”