作者:Stuart Licht 来源:《科学》 发布时间:2014-8-18 15:01:19
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新方法合成氨不产生二氧化碳

 

将空气中的氮转变为肥料的能力,成功使得农民们靠种地多养活了数十亿人。否则,仅靠我们的星球根本无法维持这么多人的生存。不过,这种方式所带来的代价也是巨大的。为了制造化肥生产所需的最起始原料——氨,大量的化工厂消耗掉了全球5%的天然气,而且每年要向空气中排放数亿吨二氧化碳。如今,化学家已经利用可再生能源发明出一种新的替代方法。在日前出版的《科学》杂志上,他们对此进行了介绍:利用太阳光产生的热量和电能,将空气中的氮和水中的氢“缝合”在一起,从而生产出氨。整个过程下来,没有释放一个二氧化碳分子。

位于华盛顿州里奇兰的西北太平洋国家实验室化学家Morris Bullock表示,这是一个非常重要的科学突破。不过,来自坦佩市亚利桑那州立大学的化学物理学家Ellen Stechel认为,问题在于该过程在实验室中所表现出的“令人非常钦佩”的效率能否有进一步的提升,从而和目前的合成氨工业一决高下。

空气中的氮分子具有惰性,通过3个不容易被破坏的共价键紧紧结合在一起。在19世纪早期,德国化学家Fritz Haber 和Carl Bosch发现了如何让氮具有更多的生物活性。他们利用很高的压力和温度将这些化学键“切断”,然后把氮原子“焊接”到氢上,从而制造出氨,即NH3。如今,这种反应方式每年会生产数亿吨氨。

然而,这种反应需要消耗大量的能源,这促使很多研究人员寻找新的可替代方案。一种比较流行的方法是寻找可以破坏氮的3个共价键的催化剂,然后在有电能供应的情况下制造氨。不过,迄今为止,即使是最好的此类催化剂,也只能得到1%左右的电子用于形成氨的化学键。

乔治华盛顿大学的化学家Stuart Licht从另一个相反的方向解决了这个难题。他将目光投向了燃料电池,因为后者可以把氨分解为氮和氢,从而在这个过程中产生电能。一种能够帮助带电离子在装置中移动的新的电解液,极大地提高了燃料电池的效率。

Licht和他的同事尝试利用同一种电解液,即钾和氢氧化钠的熔融混合液,以相反的过程合成氨。事实证明这种方法奏效了。在反应器中,他们将电解液和由氧化铁产生的催化纳米颗粒结合在一起,然后通入水、空气、热量和电能。反应器将水分解,把氮中强大的化学键“扯断”,然后把这些成分“焊接”在一起,从而形成氨和氢分子,而氢本身又是一种燃料。整个过程下来,最终共有65%的电能被储存在化学键中,其中35%储存于氨中,30%存于氢分子中。

James Miller是位于新墨西哥州阿布奎基的桑迪亚国家实验室化学家,专门从事利用太阳能制造化学燃料的研究。在他看来,尽管上述方法令人印象深刻,但要想取代Haber和Bosch发明的传统方法,还有很长的一段路要走。只有在提供很少电能的情况下,反应器的效率才能达到最佳效果。Stechel 认为,Licht和他的团队仍旧需要将目前的规模扩大50倍,才能使其与相关的工业流程相匹配。不过,Miller表示,无论如何,他们已经行驶在正确的道路上。

Licht在发表的研究论文中也提到,这种方法仍有很大的改进空间。例如,在这个过程中,三氧化二铁被用作表面活性剂。相比之下,如今流行的Haber-Bosch法采用了三氧化二铁或者钌基催化剂作的催化物,还包括种类非常广泛的、经过仔细优化的添加剂,而这些都有可能改善所进行的电化学过程。(来源:中国科学报 闫洁)

 
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