二氧化鈦之研發成果可望運用在肥料生產方面
2018/12/21 @國際
摘要
相較於傳統工業製氨法，以二氧化鈦作為光觸媒製氨是較乾淨、省能源的作法，二氧化鈦表面材料化學的發現，可望為將來的肥料生產帶來新的突破。
示意圖
肥料含有植物生長所需之營養元素，普遍施用於作物生產，肥料的成分組成比例乃參考各別作物之生長特性及農地原始肥力，將氮、磷、鉀三種元素進行比例上的調配，其中氮元素是植物生長所需之巨量營養素。在自然界中，除豆科植物可利用與其共生的根瘤菌將氮氣固氮吸收外，多數植物無法直接利用氮氣作為氮源，而是透過吸收溶於水中的硝酸態與銨態2種含氮化合物獲得氮源。1900年代初期，德國化學家哈伯發明以三價鐵做催化劑，在高溫、高壓下，成功將氮氣製備成氨，並進行工業化製氨生產，這是首次大規模人工固氮法的應用。隨著人工固氮的發明、各式肥料產品的研發與工業化應用下，農糧生產從此有了重大突破。雖然哈伯法製氨已應用百餘年，但由於氨的製備過程屬高耗能，純化上過程中產生的硫化物，容易對周邊環境造成污染，為此人們設法開發環保且低成本的製氨法。
美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)、范德堡大學(Vanderbilt University)及勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的聯合研究團隊發現，以摻有些許碳雜質的二氧化鈦(titania, titanium dioxide)作為光觸媒，可催化固氮反應之進行，研究中也討論碳在其中的重要性。生活上，二氧化鈦作為光觸媒(光催化劑)，在淨化空氣的反應中扮演催化劑的角色；而在固氮的研究方面，雖然早在75年前就有印度學者觀察到二氧化鈦的固氮現象，從這時候開始科學家們便提出催化的各種假設與可能，並進行許多實驗驗證，然而一直無法找出二氧化鈦光催化固氮反應的關鍵機制。研究團隊以近室壓X光光電子能譜(ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy, AP-XPS)觀測在固氮作用進行時，二氧化鈦表面組成變化時發現，在光催化初期，二氧化鈦的表面無其他雜質，這時並未如期發生固氮的現象，然而隨著時間進行，研究團隊觀察到二氧化鈦表面開始出現碳污染，也在此刻觀察到固氮作用的發生。研究團隊推測二氧化鈦表面可能受環境中碳氫化合物的污染，表面因此形成帶有碳雜質的二氧化鈦，在光照下發生固氮作用。【延伸閱讀】以透地雷達透視地表下的秘密
研究團隊的這項發現，解開這75年來的疑惑，並希望能在後續研究中深入了解碳在催化過程中所扮演的機制，盼將來有機會改良固碳效率，並可望在不久的將來把固氮技術推廣到農家。相較於傳統工業製氨法，以二氧化鈦作為光觸媒製氨是較乾淨、省能源的作法，二氧化鈦表面材料化學的發現，可望為將來的肥料生產帶來新的突破。
該研究之重大發現已於今年10月底發表在<Journal of American Chemical Society>。
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