Việc sử dụng công nghệ laser đã cách mạng hóa phương pháp cố định đạm, cung cấp một phương pháp mới để tổng hợp amoniac trong điều kiện môi trường xung quanh. Gần đây, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên đã sử dụng laser CO2 thương mại để phá vỡ liên kết ba nitơ-nitơ, từ đó cung cấp giải pháp thay thế xanh mới cho quy trình Haber-Bosch.
Nhóm nghiên cứu quốc tế được cho là đã sử dụng tia laser để chuyển đổi lithium oxit thành kim loại lithium, sau đó phản ứng tự phát với nitơ trong không khí để tạo thành lithium nitride. Muối này dễ dàng bị thủy phân thành amoniac, cho phép phương pháp này phá vỡ kỷ lục về năng suất.
Huize Wang, tác giả đầu tiên của Viện Năng lượng tái tạo Helmholtz ở Đức, cho biết: “Chúng tôi đã giới thiệu một khái niệm tiên phong sử dụng tia laser năng lượng cao để tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển đổi các loại oxit khác nhau thành nitrua”.
Ông nói thêm: "Chúng tôi đã đạt được sản lượng chưa từng có ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển. Kết quả này thật đáng chú ý so với các phương pháp khác". Hiệu suất thực tế cao hơn hai bậc so với các giải pháp tiên tiến khác, bao gồm các phương pháp điện hóa và cơ hóa học.
Victor Mougel, chuyên gia về chuyển đổi điện hóa của các phân tử nhỏ tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Zurich, Thụy Sĩ, cho biết: “Đây là một cách tiếp cận hoàn toàn mới để sản xuất amoniac xanh, có khả năng bền vững hơn quy trình Haber-Bosch”. Quy trình Haber -Bosch rất tốn năng lượng do nó hoạt động ở nhiệt độ và áp suất cao, đồng thời cũng dẫn đến phát thải CO2."
Ngoài ra, ông cho biết, phương pháp mới “mang lại sự linh hoạt trong vận hành và lợi ích về môi trường” vì nó hoạt động trong điều kiện môi trường xung quanh. Quá trình này cũng có thể sản xuất amoniac trực tiếp ở nơi cần thiết, giúp giảm chi phí vận chuyển.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng tia laser hồng ngoại để cung cấp đủ năng lượng phân tách liên kết lithium-oxy để tạo ra kim loại lithium từ oxit lithium. Khi tiếp xúc với không khí, kim loại lithium tự động kết hợp với nitơ, phá vỡ liên kết cộng hóa trị ba nitơ-nitơ để tạo ra lithium nitrit.
Ông giải thích thêm: “Tiếp theo, chúng tôi thu được amoniac và lithium hydroxit bằng cách thủy phân lithium nitride được tạo ra bằng laser. Ngoài ra, phương pháp này mang đến cơ hội tái chế hóa học. Laser có thể tạo ra sự chuyển đổi lithium hydroxit trở lại thành lithium nitride, chấm dứt hiệu quả quá trình chu trình lithium."
Ông nói thêm: "Điều này đồng thời trở thành một khái niệm mới khác - sự chuyển đổi hydroxit thành nitrit."
Tuy nhiên, Ifan Stephens, chuyên gia điện hóa và cố định nitơ tại Imperial College London (Anh), vẫn tỏ ra hoài nghi. Ông nói: "Tôi nghi ngờ liệu năng suất cao như vậy có bền vững về lâu dài hay không. Ngoài ra, thực tế đây là một quy trình theo mẻ chứ không phải là quy trình liên tục sẽ hạn chế rất nhiều tính khả thi của nó. Thực tế là các kỹ thuật điện hóa cho phép thực hiện hoạt động liên tục là một lợi thế đáng kể so với các phương pháp gây ra bằng laser mới hơn."
Ngoài ra, nhu cầu năng lượng của laser có thể gây ra vấn đề cho việc tăng quy mô tổng hợp amoniac. Ông nói thêm: “Nếu bạn chỉ sản xuất amoniac ở quy mô nhỏ làm phân bón ở vùng sâu vùng xa thì hiệu quả sử dụng năng lượng sẽ trở nên kém quan trọng hơn”.
Các nhà nghiên cứu cho rằng phương pháp của họ mang lại những lợi thế đáng kể so với điện hóa học, chẳng hạn như sự khử solvat hóa và đơn giản hóa. Ngoài ra, tất cả các phương pháp tổng hợp amoniac mới nổi đều phải đối mặt với những thách thức lớn nhất khi quy mô sản xuất tăng lên. Các nhà nghiên cứu hình dung việc mở rộng quy trình bằng cách phân phối bột lithium oxit trên bề mặt mạng tinh thể và sau đó chiếu xạ từng mảng tế bào phản ứng bằng tia laser. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn quan sát thấy các oxit khác có đặc tính tương tự, chẳng hạn như magie, nhôm, kẽm và canxi, mặc dù hiệu suất thấp hơn.
Ông giải thích: “Điều này có thể là do các oxit khác khó phân ly và thủy phân hơn”. Tuy nhiên, khả năng phản ứng của kim loại kiềm và kiềm thổ đối với nitơ có vẻ đầy hứa hẹn. Ông nói: “Nghiên cứu gần đây của chúng tôi cho thấy rằng những kim loại dồi dào hơn như magie và canxi cũng có thể phân hủy nitơ”.
