新技术可以降低化肥的生产成本

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世界上大多数肥料都是在大型制造工厂中生产的,这些工厂需要大量能量才能产生将氮和氢结合成氨所需的高温和高压。

麻省理工学院的化学工程师正在努力开发一种较小规模的替代品,他们设想可以将其用于为撒哈拉以南非洲等偏远农村地区的农民本地生产肥料。由于从大型生产设施运输肥料的成本较高,因此在这些地区通常很难获得肥料。

在迈向这种小规模生产的一步中,研究小组设计了一种方法,该方法利用电流将氢和氮结合起来,以生成锂催化剂,并在该催化剂上进行反应。

一张照片,描述了与水电解槽耦合的电化学Haber-Bosch反应器的模型,并突出了反应器。图片来源:麻省理工学院

研究背景

100多年来,化肥一直使用Haber-Bosch工艺生产,该工艺将大气中的氮气和氢气合成氨。用于这一过程的氢气通常是从天然气或其他化石燃料中提取的甲烷。氮是非常不活泼的,所以需要高温(500摄氏度)和压力(200个大气压)才能使它与氢反应生成氨。

使用这种方法,工厂每天可以生产成千上万吨的氨,但是它们的运行成本很高,而且会排放大量的二氧化碳。在所有大量生产的化学品中,氨是温室气体排放的最大贡献者。

麻省理工学院的研究小组着手开发一种可替代的制造方法,这种方法可以减少这些排放,并带来分散生产的额外好处。在世界上的许多地方,分配肥料的基础设施很少,这使得这些地区获得肥料的成本很高。

麻省理工学院的研究小组提出了一种利用氢气代替THF作为氢原子来源的方法。他们设计了一种网状电极,允许氮气在电极表面扩散并与溶解在乙醇中的氢气相互作用。

这种不锈钢网眼结构是用锂催化剂涂覆而成,由镀出的锂离子溶液制成。氮气在网状物中扩散,通过锂介导的一系列反应步骤转化为氨。这种结构使得氢和氮能够以相对较高的速率反应,尽管它们通常不溶于任何液体,这使得它们以较高的速率反应更具挑战性。

拉齐斯基说:“这种不锈钢布料是一种非常有效地将氮气与催化剂接触的方法,同时还具有所需的电气和离子连接。”

过程与结论

在大多数产生氨的实验中,研究人员使用了从气瓶中流入的氮气和氢气。然而,他们也证明了他们可以利用水作为氢的来源,首先电解水,然后将氢注入他们的电化学反应器。

Lazouski说,整个系统足够小,可以放在实验室的工作台面上,但是它可以通过连接多个模块来生产更多的氨。另一个关键的挑战将是提高反应的能源效率,目前该反应的能源效率仅为2%,而哈伯-博世反应的能源效率为50%至80%。

他表示:“我们的总体反应最终看起来是有利的,这是向前迈出的一大步。”“但我们知道仍有一个能量损失问题需要解决。这将是我们在今后的工作中要解决的主要问题之一。”

Manthiram说,除了作为小批化肥的生产方法,这种方法也可以用于能源储存。这一想法现在正被一些科学家所追求,他们呼吁利用风能或太阳能产生的电力来为氨发电提供动力。氨可以作为液体燃料,相对容易储存和运输。

曼瑟勒姆说:“氨是一种非常重要的分子,它可以扮演许多不同的角色,而同样的氨生产方法也可以用于非常不同的应用。”

文章来源:phys.org

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