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技术可以使肥料生产更便宜

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更小规模的替代品,他们设想可以将其用于为偏远的农村地区(如撒哈拉以南非洲)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高昂,因此通常难以在这些地区获得肥料。

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。

“将来,如果我们设想如何在某天使用这种设备,我们希望该设备可以呼吸空气,吸收水,将太阳能电池板连接起来并能够产生氨。这可能是由农民或农民的一个小社区使用。”麻省理工学院化学工程学助理教授,该研究的资深作者Karthish Manthiram说。

研究生Nikifar Lazouski是该论文的主要作者,该论文今天发表在《自然催化》上。其他作者包括研究生Minju Chung和Kindle Williams,以及本科生Michal Gala。

规模较小

100多年来,使用哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺制造肥料,该工艺将大气中的氮气与氢气结合形成氨。用于此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获得的。氮极不活泼,因此需要高温(500摄氏度)和压力(200个大气压)才能使其与氢反应生成氨。

使用此过程,制造厂每天可生产数千吨氨,但它们的运行成本很高,并且会排放大量二氧化碳。在大量生产的所有化学品中,氨是温室气体排放的最大来源。

麻省理工学院的团队着手开发一种替代的制造方法,该方法可以减少排放,并具有分散生产的额外好处。在世界许多地方,分配肥料的基础设施很少,因此在这些地区获得肥料的成本很高。

Manthiram说:“下一代制氨方法的理想特征是将其分布。换句话说,您可以使氨接近需要的位置。” “并且理想情况下,它还将消除原本存在的CO 2足迹。”

哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺使用极高的热量和压力迫使氮气和氢气起反应,而MIT小组决定尝试使用电以达到同样的效果。先前的研究表明,施加电压可以改变反应的平衡,从而有利于氨的形成。但是,研究人员说,以一种廉价且可持续的方式来做到这一点一直很困难。

以前在常温常压下进行该反应的大多数努力已使用锂催化剂来打破在氮气分子中发现的强三键。然后,所得产物氮化锂可与有机溶剂中的氢原子反应生成氨。但是,通常使用的溶剂四氢呋喃或THF昂贵且被反应消耗,因此需要不断更换。

MIT小组提出了一种使用氢气代替THF作为氢原子源的方法。他们设计了一种网状电极,允许氮气扩散通过电极,并在电极表面与溶解在乙醇中的氢相互作用。

这种不锈钢网状结构涂有锂催化剂,该锂催化剂是通过从溶液中镀出锂离子而制得的。氮气扩散到整个网孔中,并通过一系列由锂介导的反应步骤转化为氨。尽管事实上氢和氮通常不溶于任何液体,但这种设置可使氢和氮以相对较高的速度进行反应,这使得以高速度进行反应更具挑战性。

Lazouski说:“这种不锈钢布是一种非常有效地使氮气与我们的催化剂接触的方式,同时还具有所需的电和离子连接。”

分水

在他们大部分的产氨实验中,研究人员使用了从气瓶流入的氮气和氢气。但是,他们还表明,通过首先电解水,然后将氢流入其电化学反应器中,他们可以使用水作为氢源。

Lazouski说,整个系统足够小,可以放在实验室的工作台上,但是可以通过将许多模块连接在一起来扩大规模,以生产更多的氨。另一个关键挑战将是提高反应的能量效率,与Haber-Bosch反应的50%到80%相比,目前的能量效率仅为2%左右。

他说:“我们的总体反应最终看起来是令人满意的,这是向前迈出的一大步。” “但是我们知道仍然存在能量损耗问题需要解决。这将是我们在今后将要开展的工作中要解决的主要问题之一。”

曼蒂拉姆说,这种方法除了可以用作小批量肥料的生产方法外,还可以用于能量存储。一些科学家正在追寻这个想法,它要求使用风能或太阳能产生的电力来发电氨。然后,氨可以用作相对容易存储和运输的液体燃料。

氨是一个至关重要的分子,可以戴很多不同的帽子,并且这种氨的生产方法可以用于多种用途,”曼思拉姆说。

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