科学:新方法合成氨不产生二氧化碳 空气+水+阳光=氨

长江

作者：Stuart Licht 来源：《科学》

发布时间：2014-8-18 15:01:19

新方法合成氨不产生二氧化碳
空气+水+阳光=氨
无二氧化碳的绿色合成新配方问世



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。（闫洁）

http://www.sciencemag.org/content/345/6197/637.short