Khử nitơ bằng Boron và bia

Thế giới hiện nay đang phụ thuộc vào amoni trong phân bón tổng hợp để làm thực phẩm. Tuy nhiên, sản xuất amoniac từ nitơ tiêu tốn rất nhiều năng lượng và yêu cầu sử dụng các kim loại chuyển tiếp.

Các nhà nghiên cứu từ Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg ở Bavaria, Đức, hiện đã chuyển đổi được nitơ thành amoni ở nhiệt độ phòng và áp suất thấp mà không cần kim loại chuyển tiếp. Một nhóm các nhà nghiên cứu do nhà khoa học tại JMU - Holger Braunschweig dẫn đầu công bố trên tạp chí Nature Chemistry.

Công cụ mới để liên kết nitơ

Quá trình sản xuất công nghiệp của amoniac, được gọi là quy trình Haber-Bosch đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cao và ước tính tiêu thụ khoảng hai phần trăm năng lượng sản xuất trên trái đất. Quá trình này cũng dựa vào các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, các nguyên tử tương đối nặng và dễ phản ứng.

Vào năm 2018, nhóm của Giáo sư Braunschweig đã báo cáo sự liên kết và chuyển đổi hóa học của nitơ bằng cách sử dụng một phân tử chỉ bao gồm các nguyên tử phi kim loại nhẹ hơn. Một năm sau, họ sử dụng một hệ thống tương tự để chứng minh sự kết hợp đầu tiên của hai phân tử nitơ trong phòng thí nghiệm, một phản ứng mà trước đây chỉ được thấy trong tầng khí quyển của Trái đất và trong điều kiện plasma.

Chìa khóa trong cả hai khám phá này là sử dụng boron, nguyên tố nhẹ thứ năm làm nguyên tử mà nitơ liên kết. Braunschweig nói: “Sau hai khám phá này, rõ ràng là chúng tôi đã có trong tay một hệ thống khá đặc biệt”.

Chỉ cần thêm nước

Mặc dù hệ thống của chúng liên kết và chuyển đổi nitơ, chỉ một nửa số mảnh ghép được đặt đúng vị trí. “Chúng tôi biết rằng, việc hoàn thành quá trình chuyển đổi nitơ thành amoniac sẽ là một thách thức lớn, vì nó đòi hỏi một chuỗi phản ứng hóa học phức tạp thường không tương thích với nhau,” giáo sư tại JMU giải thích.

Bước đột phá đến từ thuốc thử đơn giản nhất: Dấu vết của nước còn sót lại trong mẫu đủ để thúc đẩy phản ứng tuần tự khiến nhóm nghiên cứu chỉ còn cách amoni mục tiêu một bước duy nhất. Sau đó, người ta phát hiện ra rằng, các phản ứng chính có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một axit đặc, cho phép các phản ứng xảy ra liên tiếp trong một bình phản ứng duy nhất, tất cả đều ở nhiệt độ phòng.

Tạo amoni với bia

Nhận thấy bước axit hóa của quy trình dường như hoạt động ngay cả với thuốc thử đơn giản như nước, nhóm nghiên cứu đã lặp lại phản ứng bằng cách sử dụng bia Würzburger Hofbräu được ủ tại địa phương. Và thật đáng mừng, họ đã có thể phát hiện ra sản phẩm tiền amoni trong hỗn hợp phản ứng.

Tiến sĩ Marc-André Légaré - nghiên cứu sau tiến sĩ, người khởi xướng bài nghiên cứu giải thích: “Thí nghiệm này có phần thú vị, nhưng nó cũng cho thấy hệ thống chịu đựng được nước và các hợp chất khác như thế nào”.

"Quá trình khử nitơ thành amoniac là một trong những phản ứng hóa học quan trọng nhất đối với loài người. Đây chắc chắn là lần đầu tiên nó được thực hiện bằng cách sử dụng bia, và nó đặc biệt phù hợp khi được thực hiện ở Đức", Tiến sĩ Rian Dewhurst, Akademischer Oberrat và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết.

Vẫn còn nhiều việc phải làm

Phản ứng, mặc dù rất thú vị, nhưng việc ứng dụng để sản xuất amoni trong công nghiệp vẫn còn ở thì tương lai. Lý tưởng nhất là cần tìm cách tái hình thành nitơ theo 1 cách khác để làm cho quá trình này hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

Tuy nhiên, khám phá này là một minh chứng thú vị, đó là các nguyên tố nhẹ hơn có thể giải quyết được những thách thức lớn nhất trong hóa học. Holger Braunschweig cho biết, “Còn nhiều việc phải làm, nhưng boron và các nguyên tố ánh sáng khác đã chúng ta đi từ ngạc nhiên này đến ngạc nhiên khác. Chúng rõ ràng còn có khả năng làm được nhiều hơn thế ”.

Hoàng Nam dịch

Theo Science Daily