Cách hệ điện hóa tách hydro tinh khiết khỏi amoniac ở nhiệt độ thấp hơn

Amoniac có thể được hóa lỏng, lưu trữ và vận chuyển thuận tiện hơn khí hydro, nhưng lấy hydro trở lại không hề đơn giản. Cách phân giải thông thường cần nhiệt độ trên 500°C, sau đó hỗn hợp khí còn phải qua công đoạn loại nitơ và amoniac chưa phản ứng. Một hệ thống do nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) phát triển tìm cách giải quyết đồng thời hai việc: thúc đẩy hydro thoát khỏi amoniac và tách nó thành một dòng khí có độ tinh khiết cao. [1]

Điểm đáng chú ý không nằm ở một chất xúc tác riêng lẻ, mà ở cách nhiều bộ phận được ghép thành một chu trình điện hóa. Chất xúc tác mở đầu phản ứng, màng palladium chọn lọc hydro, còn điện thế giúp kéo hydro qua màng. Việc liên tục lấy sản phẩm ra cũng khiến môi trường phản ứng thuận lợi hơn cho lượng hydro tiếp theo được giải phóng. [1]

Vì sao amoniac được xem là chất mang hydro?

Hydro được sử dụng trong pin nhiên liệu, chế biến hóa chất và sản xuất chất bán dẫn. Trở ngại là khí hydro khó vận chuyển hiệu quả nếu không được nén hoặc hóa lỏng. Một hướng khác là giữ hydro trong liên kết hóa học của chất dễ vận chuyển hơn, rồi giải phóng tại nơi sử dụng. Amoniac, với công thức NH3, phù hợp với ý tưởng này vì đã có hoạt động sản xuất và vận chuyển trên quãng đường dài. [1]

Có thể hình dung chất mang hydro như một dạng bao bì hóa học: phần cần dùng được giữ bên trong một hợp chất ổn định hơn cho khâu phân phối. Tuy nhiên, phép so sánh này chỉ mô tả chức năng. Muốn mở “bao bì”, hệ thống thực vẫn phải cung cấp năng lượng, điều khiển phản ứng và ngăn các thành phần không mong muốn đi theo hydro thành phẩm.

Quy trình cũ vướng ở đâu?

Khi amoniac được phân giải, hay “cracking”, mục tiêu là thu hydro và nitơ. Để đạt tốc độ cùng mức chuyển hóa cao, quy trình thông thường phải hoạt động trên 500°C. Khí đầu ra không tự động trở thành hydro tinh khiết: nó có thể còn lẫn nitơ và amoniac chưa phản ứng, vì vậy cần thêm thiết bị tinh lọc trước khi hydro đi vào những ứng dụng đòi hỏi độ tinh khiết cao. [1]

Hai yêu cầu này liên quan chặt chẽ nhưng thường được xử lý thành các công đoạn nối tiếp. Lò phản ứng tạo hỗn hợp khí trước, còn bộ phận phía sau mới phân loại thành phần cần giữ. Mỗi bước bổ sung đều kéo theo nhu cầu năng lượng và thiết bị. Câu hỏi của nhóm MIT là liệu đầu vào điện có thể vừa hỗ trợ một phản ứng khó diễn ra, vừa đưa riêng hydro sang phía thu nhận ngay trong cùng hệ thống hay không. [1]

Hệ điện hóa kéo hydro ra sao?

Trong thiết kế thử nghiệm, amoniac trước hết tiếp xúc với chất xúc tác chứa ruthenium và cesium để giải phóng hydro. Hydro sau đó đi tới một màng phân tách làm từ palladium. Mặt còn lại của màng tiếp xúc với chất điện phân hydroxide nóng chảy. Palladium đóng vai trò chọn lọc: hydro có thể được vận chuyển qua, trong khi các thành phần khác của hỗn hợp phản ứng bị giữ lại. [1]

Chênh lệch điện hóa qua màng tạo lực thúc đẩy hydro di chuyển từ nơi có nồng độ thấp sang nơi có nồng độ cao. Trong quá trình đó, hydro được chuyển thành proton và electron. Hai phần đi theo hai đường riêng, lần lượt qua chất điện phân nóng chảy và mạch điện bên ngoài, rồi tái hợp tại điện cực thứ hai để tạo thành khí hydro. [1]

Một ví dụ gần gũi là bơm nước qua bộ lọc, nhưng ở đây thứ được “bơm” là hydro và lực kéo đến từ điện thế. Bộ lọc không chỉ chặn tạp chất thụ động; toàn bộ bố trí còn duy trì hướng di chuyển của hydro. Phép so sánh này giúp hình dung chức năng chung, chứ không thể hiện chính xác chuyển động của điện tích hoặc cấu trúc vi mô của màng.

Vì sao lấy hydro liên tục lại giúp phản ứng?

Màng và điện thế không chỉ làm nhiệm vụ tinh lọc sau phản ứng. Khi hydro vừa sinh ra đã được đưa khỏi vùng phản ứng, nồng độ của nó tại đó giảm xuống. Điều này đặc biệt hữu ích nếu sự hiện diện của hydro làm phản ứng khử hydro chậm lại. Bằng cách liên tục lấy sản phẩm ra, hệ thống thay đổi ngay môi trường phản ứng và tạo thêm động lực để quá trình tiếp tục. [1]

Nhờ sự phối hợp đó, quá trình được thực hiện ở khoảng 200–300°C, thấp hơn đáng kể so với mức trên 500°C của phương pháp phân giải amoniac thông thường. Dòng khí thu được đồng thời được cô đặc và phân tách nhờ màng, nên không cần một bước tinh lọc riêng theo cách bố trí truyền thống. Lợi ích tiềm năng đến từ cả mức nhiệt thấp hơn lẫn việc gộp hai nhiệm vụ vào cùng một hệ thống. [1]

Từ thiết bị nghiên cứu đến ứng dụng còn bao xa?

Nhóm nghiên cứu cũng áp dụng nguyên lý này cho methylcyclohexane, một chất thuộc nhóm chất mang hydro hữu cơ lỏng, thường viết tắt là LOHC. Điều đó gợi ý kiến trúc điện hóa có thể không bị giới hạn ở amoniac. Những hướng sử dụng được nhóm đề cập gồm phương tiện vận tải, tàu thuyền và sản xuất chất bán dẫn, nơi hydro tinh khiết tham gia nhiều công đoạn. [1]

Dù vậy, đây vẫn là một công nghệ ở giai đoạn nghiên cứu. Palladium là kim loại đắt tiền, nên nhóm đang tìm cách giảm lượng vật liệu cần cho màng. Quy mô hệ thống cũng phải được mở rộng, đồng thời cần đánh giá cách áp dụng nguyên lý cho các phản ứng khử hydro có giá trị công nghiệp khác. Kết quả hiện tại chứng minh cơ chế có thể tạo dòng hydro cô đặc, chưa đồng nghĩa một thiết bị thương mại đã sẵn sàng. [1]

Giá trị của ý tưởng nằm ở cách sắp xếp lại bài toán. Thay vì nung amoniac thật nóng rồi xử lý hỗn hợp khí ở cuối dây chuyền, hệ thống dùng điện để tác động vào phản ứng và chọn hydro ngay khi nó xuất hiện. Nếu những trở ngại về vật liệu và quy mô được giải quyết, amoniac có thể làm tốt hơn vai trò cầu nối giữa nơi hydro được tạo ra và nơi nó được sử dụng. [1]