Singapore nghiên cứu ra cách sản xuất phân urê xanh- sạch- rẻ

Nhóm các nhà khoa học ở Đại học Công nghệ Nanyang Singapore đã phát minh ra phương pháp sản xuất phân urê 'xanh hơn', mở ra hướng đi mới trong lĩnh vực phân bón.

Giáo sư Alex Yan (đứng) cùng một đồng nghiệp đang nghiên cứu quá trình sản xuất phân urê trong phòng thí nghiệm tại Đại học Công nghệ Nanyang Singapore. Ảnh: NTU

Nhóm nghiên cứu cho biết, phương pháp sản xuất urê này có thể truyền cảm hứng cho việc thiết kế các phương pháp tiếp cận hóa học bền vững trong tương lai và đóng góp vào các hoạt động nông nghiệp 'xanh hơn' để nuôi dân số ngày càng tăng trên thế giới.

Công nghệ mới này hứa hẹn có thể mở đường cho một quá trình thực hành nông nghiệp bền vững hơn khi nhu cầu lương thực toàn cầu ngày một tăng lên.

Theo đó giải pháp được các nhà nghiên cứu quốc tế ở NTU, bao gồm các nhà nghiên cứu từ Đại học Texas (Mỹ), Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc và Viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân (Trung Quốc) phát triển tạo ra một hợp chất được gọi là 'urê', sản phẩm tự nhiên có trong nước tiểu của động vật có vú và là một hợp chất cần thiết cho phân bón được sản xuất công nghiệp để tăng năng suất cây trồng.

Tuy nhiên, quy trình Haber-Bosch hiện nay được sử dụng để sản xuất phân urê tiêu tốn nhiều năng lượng, đòi hỏi nhiệt độ 500 độ C và áp suất gấp hai trăm lần áp suất khí quyển ở mực nước biển. Nó cũng tạo ra lượng khí thải CO 2 đáng kể, đóng góp vào khoảng 2% năng lượng toàn cầu hàng năm. (Haber- Bosch là một phản ứng hóa học được áp dụng trong công nghiệp giữa khí nitơ và khí hiđrô để sản xuất ra amoniac: N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃)

Nhằm tìm kiếm một phương pháp bền vững và tiết kiệm năng lượng hơn, nhóm các nhà khoa học NTU đã tìm ra cách để cải thiện đáng kể phương pháp truyền thống để sản xuất urê được gọi là điện phân, nghĩa là sử dụng điện để thúc đẩy các phản ứng hóa học trong một dung dịch.

Theo đó, vật liệu nano indium hydroxide được sử dụng làm chất xúc tác, các nhà nghiên cứu đã tạo phản ứng giữa nitrat và carbon dioxide, và phát hiện ra rằng quá trình hình thành urê hiệu quả hơn gấp 5 lần so với những nỗ lực được nghiên cứu trước đây, đặc biệt là bằng cách làm cho phản ứng hóa học diễn ra theo cách “chọn lọc cao”.

Đồng tác giả của nghiên cứu, giáo sư Alex Yan, thuộc Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật của NTU cho biết: "Phương pháp của chúng tôi về cơ bản điều khiển quá trình phản ứng hóa học trở nên 'có tính chọn lọc cao'. Bằng cách chọn một chất xúc tác tốt hơn, chúng tôi đã giúp các ion nitrat và các phân tử carbon dioxide tự định vị một cách tối ưu để tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành urê, đồng thời ngăn chặn việc tạo ra các sản phẩm phụ không cần thiết như hydro, dẫn đến hiệu suất cao hơn và sản lượng urê tốt hơn".

Kết quả nghiên cứu mới mẻ này đã được công bố trên tạp chí khoa học Nature Sustainability vào tháng 7 vừa qua và phương pháp sản xuất urê thay thế đã được cấp bằng sáng chế ở đảo quốc Singapore.

Nghiên cứu này đồng thời phản ánh cam kết của NTU trong việc giải quyết những thách thức lớn của nhân loại về tính bền vững như một phần của kế hoạch chiến lược đến năm 2025 của trường đại học hàng đầu thế giới này, nhằm thúc đẩy việc chuyển đổi các khám phá nghiên cứu thành những công cụ nhằm giảm thiểu tác động của con người đối với môi trường.

Xanh hơn, đơn giản hơn và cạnh tranh hơn

NTU đã sử dụng quá trình điện phân thúc đẩy các phản ứng hóa học trong một dung dịch để để tạo ra phân urê "xanh hơn"

Nhóm nghiên cứu cho biết phương pháp mới đủ đơn giản để được áp dụng ở cả quy mô lớn lẫn nhỏ. Nông dân cũng có thể dễ dàng vận hành thiết bị điện xúc tác để tạo ra phân urê tự sản xuất của riêng họ. Một ngày nào đó phương pháp này cũng có thể được cung cấp hoàn toàn bằng năng lượng tái tạo.

Như một bằng chứng về khái niệm, các nhà khoa học NTU đã kiểm tra hiệu quả của phương pháp do họ sáng chế ra trong phòng thí nghiệm và nhận thấy rằng phương pháp này đã đạt được năng suất urê là 53,4%, cạnh tranh hơn so với phương pháp công nghiệp hiện tại Haber-Bosch, được chứng minh lần đầu tiên vào năm 1910.

Haber-Bosch, một quy trình nhiệt hai bước, phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cao và các điều kiện áp suất cao. Đầu tiên, nitơ và hydro được kết hợp để tạo ra amoniac. Carbon dioxide sau đó được liên kết với nó để tạo ra urê.

Để dễ so sánh, cách tiếp cận mới của NTU thân thiện với môi trường hơn và đơn giản hơn. Nó sử dụng nitrat - một hợp chất có các liên kết cần ít năng lượng hơn để phá vỡ - carbon dioxide và hydro để kích hoạt trực tiếp sự hình thành urê dưới nhiệt độ phòng.

Tác giả chính của nghiên cứu, tiến sĩ Lyu Chade cho biết, với những tiến bộ trong công nghệ năng lượng mặt trời, chúng ta có thể sử dụng ánh sáng mặt trời để cung cấp năng lượng cho quá trình điện phân trong tương lai, điều này có thể sẽ giúp giảm thiểu được lượng khí thải toàn cầu.

Trong các bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu NTU đang hướng tới việc đạt được năng suất cao hơn nữa và cải thiện độ chọn lọc của xúc tác, bằng cách khám phá các chất xúc tác có thể kích hoạt các phản ứng nhanh hơn. Họ cũng có kế hoạch tìm cách cung cấp năng lượng cho quy trình sử dụng năng lượng mặt trời và tạo ra một thiết bị nguyên mẫu để chứng minh quy mô sản xuất urê.