Hiện nay, amoniac là hóa chất được sản xuất nhiều thứ hai trên thế giới, với khoảng 80% được sử dụng làm phân bón nông nghiệp. Tuy nhiên, các phương pháp sản xuất amoniac hiện tại tiêu tốn khoảng 2% năng lượng hóa thạch toàn cầu và phát thải khoảng 1% lượng khí nhà kính do con người tạo ra trên thế giới. Nói cách khác, mỗi tấn amoniac được tạo ra sẽ thải ra khoảng 2,4 tấn khí CO₂.

Tuy vậy, hợp chất này – bao gồm nitơ và hydro – lại có tiềm năng lớn trong lĩnh vực năng lượng, vì nó có thể lưu trữ lượng năng lượng theo khối lượng lớn hơn pin lithium hiện tại hơn 20 lần. Nếu được quản lý đúng cách, amoniac còn có thể đốt cháy sạch. Do đó, việc sản xuất amoniac xanh có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng đồng thời giảm phát thải carbon.

Tiến bộ trong mục tiêu này đang ngày càng được đẩy nhanh. Vào tháng 8 năm ngoái, ba công ty năng lượng của Đan Mạch đã đưa nhà máy amoniac xanh đầu tiên trên thế giới đi vào hoạt động, được cho là có khả năng sản xuất 5.000 tấn hóa chất mỗi năm chỉ bằng năng lượng mặt trời và gió. Năm 2026, con tàu chở hàng đầu tiên chạy bằng amoniac sạch dự kiến sẽ ra mắt tại Na Uy. Những dự án này cùng với xe đầu kéo chạy bằng điện không phát thải amoniac đầu tiên và máy kéo chạy bằng amoniac đầu tiên cho thấy tiềm năng xanh của loại nhiên liệu này.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại MIT tiếp tục đóng góp vào khả năng sản xuất amoniac sạch bằng một nghiên cứu chứng minh cách tạo ra hợp chất này mà không cần năng lượng bên ngoài và không phát thải CO₂.

Khoảnh khắc "ngộ" ra

Ý tưởng, theo lời tác giả chính của nghiên cứu – Iwnetim Abate – đến từ một giếng nước ở Mali, Tây Phi. Lần đầu được phát hiện vào những năm 1980, giếng này được phát hiện chứa đầy dòng khí hydro. Người ta xác định rằng khí này xuất phát từ phản ứng sâu dưới lòng đất giữa các hóa chất trong đá và nước.

“Đó là một khoảnh khắc ‘ngộ’ ra,” Abate nói. “Chúng ta có thể sử dụng Trái Đất như một nhà máy, tận dụng nhiệt và áp suất tự nhiên để tạo ra những hóa chất có giá trị như amoniac theo cách sạch hơn.”

Để kiểm chứng điều đó, Abate và nhóm của ông đã xây dựng một hệ thống mô hình cho phép họ bơm nước tăng cường nitơ vào các khoáng chất tổng hợp giàu sắt, mô phỏng những khoáng chất được tìm thấy dưới bề mặt Trái Đất. Quả thật, quá trình này đã tạo ra amoniac mà không phát sinh CO₂ hay cần bất kỳ nguồn năng lượng bên ngoài nào để kích thích phản ứng hóa học.

Sau đó, họ thay thế sắt tổng hợp bằng olivin – một loại đá giàu sắt có trong tự nhiên. Trong trường hợp này, họ cũng thêm chất xúc tác đồng và làm nóng hệ thống lên đến 300 °C để mô phỏng nhiệt độ sâu hàng dặm dưới lòng đất. Họ phát hiện rằng nitơ trong nước phản ứng với sắt để tạo ra hydro sạch, rồi tiếp tục phản ứng với nitơ để tạo ra amoniac. Quá trình này tạo ra 1,8 kg amoniac trên mỗi tấn olivin.

“Những loại đá này có mặt ở khắp nơi trên thế giới, vì vậy phương pháp này có thể được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu,” Abate nói, đồng thời cho biết “vẫn còn một cấp độ phức tạp khác mà chúng tôi cần phải xử lý.”

Sự phức tạp đó bao gồm các vấn đề có thể phát sinh khi khoan sâu xuống lòng đất, bơm nước tăng cường nitơ và xử lý cách các chất lỏng và khí sinh ra tương tác với đá nền.

Tuy nhiên, Abate vẫn lạc quan rằng kết quả thử nghiệm nguyên lý hoạt động của nhóm mình có thể mở ra một con đường mới để sản xuất amoniac xanh và hy vọng có thể thử nghiệm hệ thống này trong thực tế trong vòng một đến hai năm tới. Ông thậm chí còn cho rằng hệ thống này có thể tận dụng lượng nitơ có trong nước thải để vận hành.

“Đây là một bước đột phá đáng kể cho tương lai phát triển bền vững,” Geoffrey Ellis – nhà địa chất học tại Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, người không tham gia nghiên cứu – cho biết. “Mặc dù vẫn cần thêm nhiều nghiên cứu ở giai đoạn thử nghiệm và để đưa hệ thống lên quy mô thương mại, khái niệm được chứng minh thực sự có tính cách mạng. Việc thiết kế một hệ thống tối ưu hóa quá trình khử nitrat tự nhiên bằng sắt là một ý tưởng thiên tài và có khả năng dẫn đến nhiều đổi mới tiếp theo.”

Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho phát minh của mình.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Joule.