Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tokyo đã phát triển một phương pháp mới để sản xuất amoniac bằng cách sử dụng quang hợp nhân tạo, cung cấp một sự thay thế năng lượng thấp tiềm năng cho quá trình Haber-Bosch sử dụng nhiều carbon. Kỹ thuật bắt chước sự cố định nitơ tự nhiên bằng vi khuẩn lam và sử dụng nitơ, nước và ánh sáng mặt trời trong khí quyển để tổng hợp amoniac.
Amoniac là một thành phần quan trọng trong nông nghiệp toàn cầu, chủ yếu được sử dụng trong việc sản xuất phân bón dựa trên urê. Các phương pháp sản xuất công nghiệp hiện tại chịu trách nhiệm cho khoảng 2% lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu, phần lớn là do sự phụ thuộc của chúng vào nhiên liệu hóa thạch. Cách tiếp cận mới được phát triển bởi nhóm nghiên cứu Nhật Bản có thể làm giảm đáng kể dấu chân môi trường sản xuất amoniac.
Quá trình, dẫn đầu bởi Giáo sư Yoshiaki Nishibayashi tại Khoa Hóa học Ứng dụng của Đại học Tokyo, dựa vào một hệ thống xúc tác kép để bắt đầu và duy trì phản ứng chuyển đổi. Một chất xúc tác quang dựa trên iridium, khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, kích hoạt một hợp chất gọi là phosphine bậc ba, cho phép oxy hóa các phân tử nước. Bước này tạo ra các proton cần thiết cho sự hình thành tiếp theo của amoniac.
Đồng thời, một chất xúc tác dựa trên molypden kích hoạt dinitrogen từ không khí. Phản ứng giữa nitơ và các proton được tạo ra từ nước dẫn đến sự hình thành các phân tử amoniac. Quá trình này chỉ mang lại oxy như một sản phẩm phụ và, trong điều kiện tối ưu, kết hợp hai nguyên tử nitơ và ba phân tử nước để tạo ra hai phân tử amoniac.
Các nhà nghiên cứu báo cáo rằng hệ thống phản ứng mới đã đạt được hiệu quả cao hơn so với các nỗ lực cố định nitơ nhân tạo trước đây và có thể được vận hành trên thang điểm lớn hơn gấp mười lần so với các cuộc biểu tình trong phòng thí nghiệm trước đó. Tiến trình này cho thấy phương pháp này có tiềm năng cho ứng dụng công nghiệp, mặc dù cần thêm công việc để tối ưu hóa các điều kiện phản ứng và cải thiện hiệu quả chi phí ở quy mô.
Cho rằng hơn 80% trong số 200 triệu tấn amoniac được sản xuất hàng năm được sử dụng trong nông nghiệp, sự đổi mới này có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sản xuất phân bón bền vững hơn. Nếu được thương mại hóa, phương pháp này có thể giúp giảm sử dụng năng lượng và giảm lượng khí thải trong một trong những lĩnh vực sử dụng nhiều tài nguyên nhất của sản xuất thực phẩm toàn cầu.
