用更少的能源合成氨,可持续地为世界提供能源

东京工业大学(Tokyo Tech)的科学家通过采用常见的脱水剂氢化钙并向其中添加氟化物,开发出了一种改进的催化剂。通过使用现有技术所需能量的一半,该催化剂仅在50°C的温度下即可促进氨的合成。这为低能耗和减少温室气体排放的氨生产打开了大门。

图片来源:Irasutoya,Michikazu Hara

氨(NH3)是当今最重要的工业化学品之一,在全球范围内合成用于肥料,然后可使全世界约70%的人口生产粮食。目前,氨是通过使空气中的氮气(N2)与氢气(H2)反应获得的。该反应需要高能量,因此需要使用化石燃料,占全球二氧化碳排放量的3%以上。

研究背景

氨对于制造植物肥料至关重要,而植物肥料又养活了世界70%的人口。在工业上,氨是通过哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺生产的,其中甲烷首先与蒸汽反应生成氢气,然后氢气与氮气反应生成氨。

该过程的问题是随着温度升高,产率降低。为了继续获得良好的产率,需要增加施加在反应室中的压力,这需要很多能量。此外,用于反应的铁基催化剂仅在350℃以上才有效,维持这样的高温还需要大量的能量,最重要的是,产率仅为30-40%。

目前,化石燃料被用于驱动该过程,从而向大气中排放了大量的二氧化碳。已经采用了可再生资源替代方法,例如风能,但事实证明这些替代方法不可持续。

因此,为了增加产量同时减少对环境的危害,该反应必须在低温下进行。为此,需要能够在低温下反应的催化剂。

1 / 1a)在已开发的含氟化物Ru / CaFH催化剂上的氮吸附的傅立叶变换红外(FT-IR)光谱(上图)显示,与未改性的Ru / CaH2催化剂相比,氮原子之间的键合减弱(下图)。b)建议的使用Ru / CaFH催化剂的反应机理。图片来源 :自然通讯

研究突破

到目前为止,这种催化剂对科学家来说还遥不可及。“常规催化剂在100-200°C时会失去从N 2和H 2气体生成氨的催化活性,即使它们在高温下表现出高催化性能也是如此,”来自日本东京理工大学的一组科学家指出。

由Michikazu Hara博士领导的科学家开发了一种即使在50°C时仍然有效的催化剂。他们的催化剂可在50°C的温度下从N 2和H 2气体中产生氨,活化能非常小,为20 kJmol -1,这是传统催化剂的一半。

他们的催化剂包括CaFH的固溶体,其表面沉积有钌(Ru)纳米颗粒。氟化物(F-)加入氢氧化钙(CaH2),一种常见的脱水剂,是使催化剂在较低的温度和压力下有效的原因。经过光谱分析和计算分析,科学家们提出了催化剂促进氨生产的可能机制。

氟化钙(Ca-F)键强于钙-氢(Ca-H)键。所以,Ca-F键的存在削弱了Ca-H键,Ru能够从催化剂晶体中提取出H原子,留下电子。氢原子然后从Ru纳米颗粒中释放出氢气,即使在50°C时也会发生这种情况。

被捕获的电子与晶体中的F离子之间的电荷斥力降低了这些电子释放的能量屏障,从而使材料具有较高的供电子能力。这些释放的电子攻击氮气中氮原子间的键,促进了氨的生成。

研究意义

这种新的氨生产方法降低了能源需求,从而减少了因使用大量化石燃料而产生的二氧化碳排放量。这项研究的结果阐明了哈伯-博世在环境上可持续的过程的可能性,为农业食品生产的下一场革命打开了大门。

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