Một nhóm nhà khoa học Trung Quốc vừa phát triển chất xúc tác có thể biến ô nhiễm nitrat trong nước thải nông nghiệp và công nghiệp thành amoniac - hợp chất nền để sản xuất phân urê - với hiệu suất cao gấp gần 3 lần so với các chất xúc tác thông thường.
Nghiên cứu được công bố ngày 18/3 trên Journal of the American Chemical Society và còn được chọn lên trang bìa của tạp chí.
Theo nội dung được công bố, đột phá nằm ở việc ứng dụng chất xúc tác nguyên tử kép - hay còn gọi là DAC. Khác với chất xúc tác nguyên tử đơn, DAC có 2 nguyên tử kim loại nằm kề nhau, cho phép chúng phối hợp thực hiện những phản ứng hóa học nhiều bước và phức tạp hơn, chẳng hạn chuyển nitrat thành amoniac hoặc thúc đẩy các phản ứng chuyển hóa carbon dioxide.
Tuy nhiên, chế tạo loại vật liệu này từ lâu vẫn là bài toán khó. Các nhà khoa học thường phải thử và sai rất nhiều lần vì thiếu cơ sở lý thuyết đủ mạnh để chọn đúng cặp kim loại, trong khi hàm lượng kim loại hoạt tính trong vật liệu lại thấp, còn khả năng kết hợp linh hoạt nhiều nguyên tố khác nhau thì hạn chế.
Chính vì vậy, dù DAC được đánh giá có tiềm năng lớn, việc đưa nó từ ý tưởng trong phòng thí nghiệm thành vật liệu hiệu quả thực tế vẫn tiến triển chậm.
Để vượt qua rào cản này, nhóm của nhà nghiên cứu Han Lili tại Viện Nghiên cứu Cấu trúc Vật chất Phúc Kiến, thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đã dùng học sâu để huấn luyện mô hình AI nhằm sàng lọc những cặp kim loại có khả năng “bắt cặp” cao nhất. Từ đó, họ chế tạo được 14 chất xúc tác nguyên tử kép có cấu trúc chính xác, sử dụng nhiều nguyên tố đất hiếm như yttri, scandium, lanthanum, cerium, samarium, europium, erbium và ytterbium.
Điểm gây chú ý lớn là hàm lượng kim loại trong các chất xúc tác mới đạt từ 12,8% đến 30,7% theo khối lượng, tức cao hơn hơn bốn lần so với ngưỡng chuẩn trước đây. Trên bìa tạp chí, cấu trúc của vật liệu này được minh họa như những nguyên tử kim loại sắp xếp quanh một tâm, giống các hành tinh quay quanh Mặt Trời.
Nhưng điều quan trọng hơn không nằm ở hình ảnh, mà ở hiệu quả. Khi được đưa vào quá trình điện phân nước nhiễm nitrat, số lượng lớn các vị trí hoạt tính trên bề mặt xúc tác đã giúp sản lượng amoniac tăng lên gấp 2,7 lần so với chất xúc tác thông thường.
Ý nghĩa môi trường của công nghệ này khá rõ ràng. Nitrat từ phân bón nông nghiệp hoặc nước thải công nghiệp từ lâu là một trong những nguyên nhân chính gây nở hoa tảo và tạo ra các “vùng chết” trên sông hồ, nơi oxy suy giảm nghiêm trọng. Phương pháp khử điện hóa có thể xử lý nitrat ngay ở nhiệt độ phòng, vừa giảm độc tính của chất ô nhiễm, vừa biến nó thành amoniac - sản phẩm có giá trị kinh tế.
Về phía công nghiệp, amoniac lại là mắt xích sống còn để sản xuất urê, loại phân đạm được sử dụng nhiều nhất thế giới. Hiện nay, gần như toàn bộ urê thương mại được sản xuất theo quy trình Bosch-Meiser, trong đó amoniac phản ứng với carbon dioxide để tạo thành urê. Vấn đề là con đường này phụ thuộc nặng vào nhiên liệu hóa thạch, chủ yếu là khí đốt tự nhiên, còn tại Trung Quốc là than đá. Dù nguyên liệu đầu vào là khí hay than, khâu sản xuất amoniac vẫn tiêu tốn rất nhiều năng lượng.
Sự phụ thuộc ấy khiến thị trường phân bón toàn cầu dễ rung lắc khi tình hình địa chính trị căng thẳng. Phần lớn thương mại urê thế giới liên quan đến Trung Đông, nơi eo biển Hormuz luôn là điểm nghẽn chiến lược.
Gần đây, xung đột liên quan Iran đã khiến giá urê tăng mạnh. Reuters cho biết Ấn Độ đã phải mua kỷ lục 2,5 triệu tấn urê trong một gói thầu hồi tháng 4 với mức giá gần gấp đôi so với 2 tháng trước đó.
Trong bối cảnh đó, công nghệ thu hồi amoniac từ nitrat trong nước thải sẽ chưa thể thay thế ngay các tổ hợp hóa chất quy mô lớn, nhưng có thể trở thành một phương án bổ trợ quan trọng.
Với Trung Quốc, điều này đồng nghĩa vừa có thêm công cụ xử lý ô nhiễm, vừa có thêm một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho ngành phân bón mà không hoàn toàn phụ thuộc vào than hoặc khí đốt.
Vu Lam
Theo SCMP
