Tin thị trường và sản phẩm

Bảo Hiền tổng hợp

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vừa phát triển một phương pháp tính toán mới nhằm dự đoán vật liệu nào có tiềm năng nhất để làm chất xúc tác cho quy trình sản xuất amoniac bằng điện hóa - hướng đi được kỳ vọng có thể thay thế một phần quy trình Haber-Bosch truyền thống vốn phụ thuộc nặng vào nhiên liệu hóa thạch.

Vì sao cần tìm quy trình sản xuất amoniac mới

Amoniac là một trong những hóa chất quan trọng nhất thế giới, chỉ đứng sau axit sulfuric về tổng khối lượng sản xuất hàng năm, với khoảng 200 triệu tấn được sử dụng mỗi năm - phần lớn để sản xuất phân bón nuôi sống dân số toàn cầu. Tuy nhiên, quy trình sản xuất amoniac hiện chiếm tới 2% tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu và khoảng 1,5% lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu.

Hơn 90% lượng amoniac hiện nay vẫn được sản xuất bằng quy trình Haber-Bosch - phương pháp ra đời hơn một thế kỷ trước, sử dụng nhiệt độ và áp suất cao để kết hợp nitơ và hydro, trong đó cả nhiệt lượng cần thiết lẫn khí hydro đầu vào đều chủ yếu có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch. Theo ông Constantine Athanitis, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (DMSE) của MIT, quy trình này "đã được tối ưu hóa đến mức cực hạn" kể từ khi ra đời, khiến việc cải tiến thêm ngày càng khó khăn.

Một hướng thay thế là dùng điện hóa thay vì nhiệt và áp suất để thực hiện phản ứng, về bản chất là phản ứng điện hóa giữa cặp proton-electron với khí nitơ - công nghệ vốn đã tồn tại và sử dụng nguyên lý tương tự các thiết bị điện phân. Tuy nhiên, theo ông Athanitis, phương pháp này cho đến nay vẫn chưa đạt tốc độ và hiệu suất sản xuất đủ cao để cạnh tranh về chi phí ở quy mô công nghiệp - và trong nền kinh tế thị trường, một công nghệ dù tốt hơn cho khí hậu vẫn khó được doanh nghiệp áp dụng nếu không cạnh tranh được về giá.

Cách tiếp cận: dùng lý thuyết phiếm hàm mật độ và học máy thay vì thử-sai

Thành phần cốt lõi quyết định hiệu quả của quy trình điện hóa là vật liệu xúc tác kim loại - yếu tố chi phối trực tiếp phản ứng xảy ra trên bề mặt của nó. Theo cách làm truyền thống, nghiên cứu vật liệu chủ yếu dựa vào phương pháp thử-sai: lấy một vật liệu có sẵn rồi điều chỉnh dần theo trực giác khoa học - quá trình có thể mất nhiều năm khi phải thử qua hàng triệu tổ hợp hợp kim khả dĩ.

Nhóm nghiên cứu do bà Bilge Yildiz - Giáo sư tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân kiêm Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu MIT - dẫn đầu, đã áp dụng cách tiếp cận khác: trước tiên xác định các đặc tính vi mô của vật liệu quyết định khả năng thúc đẩy phản ứng khử nitơ, thay vì tìm kiếm ngẫu nhiên qua từng tổ hợp hợp kim. Nhóm sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (density functional theory) - phương pháp dùng cơ học lượng tử để mô phỏng tính chất và hành vi của vật liệu, cho phép dự đoán hiệu năng của các cấu trúc nguyên tử khác nhau trước khi thực sự chế tạo trong phòng thí nghiệm - kết hợp với học máy để xác định những "nút thắt cổ chai" trong chuỗi phản ứng và tìm ra hợp kim nào có khả năng vượt qua các nút thắt đó.

Nhóm tập trung vào nhóm vật liệu nitride kim loại chuyển tiếp (transition metal nitride), vốn đã được chứng minh hiệu quả trong phản ứng điện hóa khử nitơ. Theo ông Athanitis, nhóm vật liệu này đặc biệt hiệu quả vì bản thân nguyên tử nitơ có sẵn trong cấu trúc xúc tác cũng trở thành một phần của phản ứng - tạo ra chuỗi bước hóa học trong đó bước này cung cấp một phần năng lượng cho bước tiếp theo, giúp giảm lượng năng lượng đầu vào cần thiết. Đây là cách giải quyết một trong những nút thắt lớn nhất của phản ứng khử nitơ: năng lượng rất cao cần thiết để phá vỡ liên kết bền vững trong phân tử nitơ. Dù vậy, quy trình vẫn còn bị giới hạn bởi một số bước khác trong chuỗi phản ứng, bao gồm quá trình phân ly nitơ và chuyển giao hydro.

Vẫn còn ở giai đoạn lý thuyết

Nghiên cứu, công bố ngày 11/8/2026 trên tạp chí truy cập mở EES Catalysis (Royal Society of Chemistry), hiện vẫn hoàn toàn mang tính lý thuyết: nhóm nghiên cứu mới chỉ dùng mô hình máy tính để xác định các hợp kim tiềm năng, các vật liệu này vẫn cần được chế tạo và thử nghiệm thực tế. Ông Dane Morgan, giáo sư kỹ thuật tại Đại học Wisconsin, người không tham gia nghiên cứu, nhận định đây là công trình "thú vị", giúp làm rõ mối liên hệ giữa đặc tính điện tử nền tảng của vật liệu với vai trò xúc tác của nó trong sản xuất amoniac, qua đó định hướng cho việc thiết kế xúc tác mới cả về mặt hiểu biết định tính lẫn tăng tốc quá trình sàng lọc bằng tính toán. Tuy nhiên, ông cũng lưu ý việc chuyển hóa các phép tính này thành xúc tác thực tế sẽ đòi hỏi nhiều bước bổ sung, nên tác động thực sự tới đời sống nhiều khả năng vẫn còn một khoảng cách nhất định.

Bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu là xây dựng một tế bào phản ứng (reaction cell) hoạt động thực tế trong phòng thí nghiệm, sử dụng chất xúc tác để sản xuất amoniac và kiểm tra hiệu năng trong điều kiện vận hành thực tế. Theo ông Athanitis, đây là bước bắt buộc để nghiên cứu có thể thực sự tạo ra tác động đối với xã hội.