Tin thị trường và sản phẩm

Bảo Hiền tổng hợp

Từ cải tiến chất xúc tác đến ứng dụng điện tái tạo, ánh sáng và plasma, nhiều công nghệ mới đang hướng tới sản xuất amoniac ở điều kiện ít khắc nghiệt hơn quy trình truyền thống. Dù một số nghiên cứu đã đạt hiệu suất cao trong phòng thí nghiệm, chi phí sản xuất, độ bền thiết bị và khả năng mở rộng vẫn là những bài toán cần giải quyết trước khi có thể cạnh tranh với công nghệ hiện hành.

Amoniac là nguyên liệu quan trọng để sản xuất phân đạm, đồng thời được sử dụng trong lưu trữ hydro và công nghiệp hóa chất. Với nhu cầu toàn cầu khoảng 200 triệu tấn mỗi năm, việc tìm cách sản xuất hợp chất này ít tốn năng lượng hơn có ý nghĩa lớn đối với ngành phân bón và mục tiêu giảm phát thải.

Hơn một thế kỷ qua, sản xuất amoniac chủ yếu dựa vào quy trình Haber–Bosch. Công nghệ này kết hợp nitơ từ không khí với hydro ở nhiệt độ 400–500 độ C, áp suất 100–200 atm và sử dụng xúc tác gốc sắt. Dù đã được tối ưu hóa qua nhiều thập kỷ, quy trình vẫn tiêu thụ khoảng 2% năng lượng toàn cầu và phát thải lượng carbon đáng kể.

Thách thức nằm ở liên kết ba giữa hai nguyên tử nitơ, có năng lượng liên kết khoảng 942 kJ/mol. Để phá vỡ liên kết bền vững này, hệ thống phải vận hành ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Vì vậy, giới nghiên cứu đang tìm cách kích hoạt phản ứng bằng những con đường khác, từ cải tiến xúc tác đến sử dụng điện, ánh sáng và plasma.

Xúc tác mới giúp giảm nhiệt độ phản ứng

Một hướng nghiên cứu tập trung vào việc phát triển chất xúc tác có thể thúc đẩy phản ứng ở điều kiện nhẹ hơn. Năm 2017, hệ xúc tác kết hợp kim loại chuyển tiếp với lithi hydrua (LiH) cho phép cố định nitơ ở nhiệt độ dưới 300 độ C.

Đến năm 2025, một nhóm nghiên cứu sử dụng vật liệu mang BaC₂ có khuyết tật kết hợp với niken để tổng hợp amoniac ở 100 độ C và áp suất khí quyển. Tuy nhiên, tốc độ tạo amoniac mới đạt 0,20 mmol/g/giờ, cho thấy công nghệ vẫn cần cải thiện đáng kể về năng suất.

Trí tuệ nhân tạo cũng bắt đầu hỗ trợ quá trình tìm kiếm vật liệu xúc tác. Thay vì thử nghiệm lần lượt từng hợp chất, các nhà khoa học sử dụng học máy để sàng lọc dữ liệu và xác định những cấu trúc tiềm năng.

Từ dữ liệu của 201 hợp chất liên kim loại chứa ruteni, nhóm nghiên cứu đã thiết kế xúc tác Sc₁/₈Nd₇/₈Ru₂. Vật liệu đạt tốc độ tạo amoniac 9,03 mmol/g/giờ ở áp suất 0,9 MPa và nhiệt độ 325–400 độ C, đồng thời duy trì hoạt động liên tục trong 105 giờ mà không suy giảm hiệu suất.

Một hướng khác là sử dụng nitơ oxit (NO) thay cho nitơ phân tử. Do liên kết trong NO yếu hơn, khoảng 632 kJ/mol, chất này dễ hydro hóa hơn. Xúc tác FeCu/TiO₂ đã đạt độ chọn lọc amoniac 97,7% ở 350 độ C và áp suất khí quyển. Dù vậy, khả năng hoạt động trong khoảng nhiệt độ rộng và chịu được oxy vẫn là những hạn chế cần khắc phục.

Sản xuất bằng điện: tiềm năng tận dụng năng lượng tái tạo

Tổng hợp amoniac bằng điện hóa được quan tâm nhờ khả năng sử dụng điện từ các nguồn tái tạo. Nếu được phát triển thành công, công nghệ này có thể mở ra những phương án sản xuất linh hoạt hơn, bên cạnh các nhà máy Haber–Bosch quy mô lớn.

Tuy nhiên, phản ứng khử nitơ trong môi trường nước gặp trở ngại lớn: nitơ có độ hòa tan thấp, chỉ khoảng 0,65 mmol/lít, trong khi phản ứng sinh hydro diễn ra nhanh hơn từ 6 đến 8 bậc độ lớn. Phần lớn dòng điện vì thế bị tiêu hao cho phản ứng phụ thay vì tạo amoniac.

Năm 2022, phương pháp trung gian lithi sử dụng dung môi hữu cơ để hạn chế phản ứng sinh hydro đã đạt hiệu suất Faraday gần 100%. Đây là kết quả đáng chú ý trong phòng thí nghiệm, nhưng chưa đồng nghĩa với hiệu quả kinh tế. Quy trình tiêu tốn khoảng bốn ion lithi cho mỗi phân tử amoniac, khiến chi phí ước tính cao hơn ba lần so với Haber–Bosch. Lớp màng hình thành trên bề mặt lithi làm giảm hoạt tính, trong khi các sợi nhánh lithi có thể gây chập mạch và đặt ra rủi ro an toàn khi mở rộng quy mô.

Một hướng khác là điện hóa khử NO để tạo amoniac. Hợp kim đồng–thiếc Cu₆Sn₅ đạt hiệu suất Faraday trên 96% ở mật độ dòng điện hơn 1.400 mA/cm² và duy trì ổn định trong 135 giờ.

Năm 2025, một hệ phản ứng dòng chảy dung tích 8 lít sử dụng hợp kim Ru₉Co₉₁ đã tạo liên tục 8,5 lít dung dịch phân bón amoni nitrat mỗi giờ, với lượng sản phẩm được báo cáo đủ phục vụ tưới nhỏ giọt cho 20 m² cây trồng. Kết quả cho thấy khả năng kết nối nghiên cứu điện hóa với việc tạo ra sản phẩm đầu vào cho nông nghiệp.

Dù vậy, nguồn nguyên liệu vẫn là điểm nghẽn. NO là khí độc, nguồn NO có độ tinh khiết cao còn hạn chế. Trong khi đó, NOₓ trong khí thải thường có nồng độ thấp và phân tán, khiến việc thu gom đủ nguyên liệu cho sản xuất quy mô lớn trở nên khó khăn.

Với hướng khử nitrat, xúc tác Co₆Ni₄ đạt hiệu suất Faraday 99,21% và hoạt động trong 120 giờ. Tuy nhiên, phần lớn xúc tác thuộc nhóm này vẫn chỉ vận hành ở mật độ dòng dưới 300 mA/cm², thấp hơn mức cần thiết để đáp ứng yêu cầu công nghiệp.

Tận dụng ánh sáng và plasma để kích hoạt phản ứng

Quang xúc tác là hướng nghiên cứu sử dụng năng lượng ánh sáng để thúc đẩy phản ứng tạo amoniac ở nhiệt độ và áp suất phòng. Nếu đạt hiệu suất đủ cao, công nghệ này có thể giảm nhu cầu năng lượng đầu vào từ các nguồn truyền thống.

Trở ngại hiện nay là hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời của phần lớn hệ xúc tác vẫn dưới 0,1%, thấp hơn ngưỡng được xem là có ý nghĩa thực tiễn. Một hướng ứng dụng đáng chú ý là sử dụng xúc tác Au/TiO₂ để chuyển NO trong khí thải thành amoniac, kết hợp xử lý chất ô nhiễm với sản xuất nguyên liệu cho phân bón dạng lỏng.

Trong khi đó, plasma nhiệt độ thấp có thể kích hoạt phân tử nitơ mà không cần duy trì toàn bộ hệ thống ở nhiệt độ cao như quy trình truyền thống. Tuy nhiên, công nghệ vẫn cần cải thiện độ chọn lọc của phản ứng và hiệu suất sử dụng năng lượng.

Quy trình hai bước: kết quả phòng thí nghiệm chưa bảo đảm hiệu quả kinh tế

Thay vì chuyển trực tiếp nitơ thành amoniac, một số nhóm nghiên cứu lựa chọn quy trình hai bước. Trước tiên, plasma oxy hóa nitơ trong không khí thành các hợp chất NOₓ; sau đó, hệ xúc tác hoặc điện hóa chuyển các hợp chất này thành amoniac.

Năm 2024, một hệ kết hợp plasma và điện xúc tác sử dụng không khí làm nguyên liệu đạt tốc độ tạo sản phẩm 3 mmol/cm²/giờ, hiệu suất Faraday 92% và hoạt động ổn định trong 100 giờ ở điều kiện thường. Năm 2025, một hệ kết hợp plasma với quang xúc tác đạt độ chọn lọc amoniac 98,33% và vận hành trong 240 giờ.

Tuy nhiên, đánh giá kinh tế – kỹ thuật cho thấy khoảng cách đáng kể giữa kết quả trong phòng thí nghiệm và khả năng thương mại hóa. Công đoạn oxy hóa bằng plasma chỉ chuyển đổi 0,25–7% năng lượng đầu vào, tiêu thụ 300–440 kJ cho mỗi mol amoniac, tương đương 1,5–2 lần mức tiêu thụ của Haber–Bosch. Việc tách và tinh chế NO chiếm 30–40% tổng năng lượng của hệ thống.

Hiệu suất năng lượng toàn hệ được ước tính chỉ đạt 5–25%. Chi phí thiết bị cao gấp 3–5 lần, trong khi hiện tượng ăn mòn điện cực có thể khiến tuổi thọ thiết bị dưới hai năm. Theo các ước tính được nêu, chi phí sản xuất amoniac quy dẫn của quy trình hai bước vào khoảng 1,8–2,5 USD/kg, cao hơn đáng kể so với mức 0,5–0,8 USD/kg của Haber–Bosch.

Những con số này cho thấy hiệu suất phản ứng cao chưa đủ để bảo đảm một công nghệ có thể cạnh tranh trên thị trường. Chi phí năng lượng, thiết bị, tách sản phẩm và độ bền khi vận hành liên tục đều ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành phân bón cuối cùng.

Độ tin cậy của phép đo cũng là một thách thức

Bên cạnh bài toán công nghệ và chi phí, giới nghiên cứu còn phải giải quyết vấn đề xác định chính xác lượng amoniac được tạo ra. Ở nhiều thí nghiệm mới, sản lượng chỉ ở mức micromol, khiến kết quả dễ bị ảnh hưởng bởi tạp chất và sai số phân tích.

Phương pháp xanh indophenol được sử dụng phổ biến để định lượng amoniac, nhưng có thể cho kết quả cao hơn thực tế khi bị ảnh hưởng bởi các ion kim loại như sắt và molypden. Một số sản phẩm oxy hóa từ chất hy sinh, chẳng hạn methanol, cũng có thể gây nhiễu phép đo và tạo ra lượng amoniac biểu kiến không phản ánh đúng phản ứng mong muốn.

Để xác nhận amoniac thực sự được tạo ra từ nitơ phân tử, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng thí nghiệm đánh dấu đồng vị nitơ-15 (¹⁵N₂). Tuy nhiên, theo tài liệu được dẫn, hơn 60% công bố về khử nitơ bằng quang xúc tác không báo cáo thí nghiệm đối chứng này.

Các khuyến nghị nhằm nâng cao độ tin cậy gồm sử dụng ba mẫu trắng trong mỗi loạt thí nghiệm, kiểm chứng bằng ¹⁵N₂, đối chiếu kết quả giữa phương pháp xanh indophenol và sắc ký ion với mức chênh lệch không quá 15%, đồng thời truy tìm nguồn gây nhiễm bẩn.

Từ phát minh trong phòng thí nghiệm đến đổi mới sản xuất phân bón

Các hướng nghiên cứu mới cho thấy sản xuất amoniac đang mở rộng từ một quy trình nhiệt – áp suất cao sang nhiều phương án sử dụng xúc tác tiên tiến, điện hóa, quang xúc tác và plasma. Một số kết quả đã ghi nhận độ chọn lọc cao, thời gian vận hành kéo dài hàng trăm giờ hoặc khả năng tạo dung dịch phân bón trong hệ phản ứng dòng chảy.

Trong giai đoạn tới, ba ưu tiên được đặt ra là cải tiến xúc tác cho quy trình một bước, giảm năng lượng và chi phí tách sản phẩm ở quy trình hai bước, đồng thời chuẩn hóa phương pháp đo lường để bảo đảm các kết quả có thể kiểm chứng và so sánh.

Đối với ngành phân bón, ý nghĩa của những nghiên cứu này không chỉ nằm ở việc tạo ra amoniac bằng công nghệ mới. Mục tiêu cuối cùng là sản xuất nguyên liệu với chi phí cạnh tranh hơn, giảm tiêu hao năng lượng và phát thải, đồng thời bảo đảm nguồn cung ổn định. Để đạt được điều đó, các công nghệ mới cần vượt qua đồng thời những rào cản về chi phí lithi, đầu tư thiết bị, độ bền và khả năng mở rộng công suất.

Haber–Bosch vẫn giữ vai trò chủ đạo nhờ quy mô và hiệu quả kinh tế đã được chứng minh. Vì vậy, trong ngắn hạn, các công nghệ mới cần được nhìn nhận như những hướng đổi mới đang phát triển, thay vì giải pháp có thể sớm thay thế hoàn toàn quy trình hiện hành. Khả năng kết hợp công nghệ mới với nguồn điện tái tạo, hệ thống xử lý khí thải và các mô hình sản xuất phân bón linh hoạt có thể là hướng đáng theo dõi trong quá trình giảm dấu chân năng lượng và carbon của ngành.