Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern đã phát triển một phương pháp thân thiện với môi trường, hiệu quả cao để chuyển đổi amoniac thành hydro. Kỹ thuật mới này được phác thảo trong một công bố gần đây trên tạp chí Joule và là một bước tiến quan trọng để tạo ra nền kinh tế sử dụng nhiên liệu hydro và không ô nhiễm.

Ý tưởng sử dụng amoniac làm chất mang để vận chuyển hydro đã thu hút được nhiều sự chú ý trong những năm gần đây vì amoniac dễ hóa lỏng hơn nhiều so với hydro và do đó dễ bảo quản và vận chuyển hơn nhiều. Bước đột phá công nghệ của Northwestern đã vượt qua những rào cản hiện có đối với việc sản xuất hydro sạch từ amoniac.

Sossina Haile, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Hạn chế đối với pin nhiên liệu hydro là sự thiếu cơ sở hạ tầng giao hàng. Vận chuyển hydro rất khó và tốn kém trong khi hệ thống phân phối amoniac luôn có sẵn qua các đường ống. Chúng tôi cung cấp rất nhiều amoniac trên khắp thế giới để làm phân bón. Nếu bạn cung cấp amoniac cho chúng tôi, hệ thống điện hóa do chúng tôi phát triển có thể chuyển đổi amoniac thành pin nhiên liệu, làm sạch hydro tại chỗ ở mọi quy mô."

Trong nghiên cứu, Haile và nhóm nghiên cứu của bà báo cáo rằng họ có thể tiến hành quá trình chuyển đổi amoniac thành hydro bằng cách sử dụng điện tái tạo thay vì năng lượng nhiệt sử dụng nhiên liệu hóa thạch vì quá trình hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống (250 độ C so với 500 đến 600 độ C). Thứ hai, kỹ thuật mới tạo ra hydro tinh khiết mà không cần phải tách khỏi bất kỳ amoniac chưa phản ứng hoặc các sản phẩm khác. Thứ ba, quá trình này hiệu quả vì tất cả dòng điện được cung cấp cho thiết bị trực tiếp tạo ra hydro, không bị thất thoát bởi các phản ứng ký sinh. Hơn thế nữa, do hydro được tạo ra là tinh khiết nên có thể được điều áp trực tiếp để lưu trữ mật độ cao bằng cách tăng công suất điện.

Để thực hiện quá trình chuyển đổi, các nhà nghiên cứu đã chế tạo ra một tế bào điện hóa độc đáo với màng dẫn proton và tích hợp nó với chất xúc tác tách amoniac.

Haile cho biết: “Đầu tiên amoniac sẽ gặp chất xúc tác phân tách nó thành nitơ và hydro. Hydro đó ngay lập tức được chuyển đổi thành proton, sau đó được chuyển động bằng điện qua màng dẫn proton trong tế bào điện hóa của chúng ta. Bằng cách liên tục rút hydro, chúng tôi thúc đẩy phản ứng đi xa hơn so với phương pháp khác. Đây được gọi là Nguyên tắc Le Chatelier. Bằng cách loại bỏ một trong những sản phẩm của phản ứng tách amoniac - cụ thể là hydro - chúng tôi đẩy phản ứng vượt xa hơn những gì mà chất xúc tác tách amoniac có thể làm một mình."

Sau đó, hydro được tạo ra từ quá trình tách amoniac có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu. Giống như pin thường, pin nhiên liệu tạo ra năng lượng điện bằng cách chuyển đổi năng lượng tạo ra từ các phản ứng hóa học. Tuy nhiên không giống như pin thường, pin nhiên liệu có thể sản xuất điện miễn là nhiên liệu được cung cấp, không bao giờ mất điện tích. Hydro là một loại nhiên liệu sạch, khi được tiêu thụ trong pin nhiên liệu, sẽ tạo ra nước là sản phẩm phụ duy nhất của nó. Điều này trái ngược với nhiên liệu hóa thạch, tạo ra các khí nhà kính làm thay đổi khí hậu như carbon dioxide, methane và nitrous oxide.
​
Haile dự đoán rằng công nghệ mới có thể đặc biệt biến đổi trong lĩnh vực giao thông vận tải. Năm 2018, sự di chuyển của người và hàng hóa bằng ô tô, xe tải, tàu hỏa, tàu thủy, máy bay và các phương tiện khác chiếm 28% lượng khí thải nhà kính ở Hoa Kỳ - nhiều hơn bất kỳ khu vực kinh tế nào khác theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường.
 
Haile nói: “Phương tiện chạy bằng pin là rất tốt, nhưng chắc chắn có một câu hỏi về phạm vi và nguồn cung cấp vật liệu. "Việc chuyển đổi amoniac thành hydro tại chỗ và theo cách phân tán sẽ cho phép bạn lái xe vào một trạm tiếp nhiên liệu và lấy hydro điều áp cho ô tô của mình. Ngoài ra, tế bào nhiên liệu hydro cho ngành hàng không cũng ngày càng được quan tâm vì pin rất nặng."

Haile và nhóm của cô đã đạt được những tiến bộ lớn trong lĩnh vực pin nhiên liệu trong những năm qua. Bước tiếp theo trong công việc, họ đang khám phá các phương pháp mới để sản xuất amoniac theo cách thân thiện với môi trường.

Link: https://www.sciencedaily.com/releases/2020/11/201118141718.htm