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使用更少的能量合成氨來持續為世界提供燃料

2020/07/24 @國際

摘要

日本東京工業大學研究團隊為改善銨肥料的製作所造成的大量汙染,開發出以氫化鈣及氟化物的改良催化劑,便能使得低溫與低壓下完成反應,並且用運光譜計量分析,了解此新製氨方法的原理,成為可低耗能製氨,並且兼顧降低溫室氣體的排放。

使用更少的能量合成氨來持續為世界提供燃料

  對於製造植物肥料非常重要,主要是因植物肥料可進一步養活世界約70%的人。在工業製氨中,通常是利用哈布二氏法(Haber-Bosch)工藝生產而來,該工藝由甲烷首先與蒸汽反應生成氫氣,氫氣接著與氮氣反應產生氨。然而,這項工藝的問題是隨著溫度升高,產率即降低。為了持續獲得良好的產率,需使用更多的能量以增加反應槽中的壓力,此外,鐵基催化劑需在350°C以上才有效,為維持如此的高溫也需很多能量,而產率僅為30-40%。目前,人們通常使用化石燃料來生產大量能量,以至於排放大量二氧化碳於大氣中,因此人們進一步開發許多再生資源的替代方案,如風能,但這些替代方案未能被證實具有可持續性。為了增加氨產率同時減少對環境的危害,該反應必須在低溫下進行。為此,需要有能夠在低溫下進行反應的催化劑。目前為止,這種特殊的催化劑對科學家仍遙不可及,一般常規的催化劑即使在高溫下表現出高催化性能,但在100-200 °C時會失去將氮氣與氫氣催化成氨的活性。有據於此,由東京工業大學的Michikazu Hara博士領導的科學家利用常見的脫水劑:氫化鈣及氟化物的結合來開發出改良催化劑,該催化劑的活化能只有20 kJmol-1,僅為使用現有技術所需能量的50%,並可在50°C下促進氨的合成,這為低耗能製氨並減少溫室氣體排放開啟了大門,相關研究發表於《自然》期刊中。【延伸閱讀】二氧化鈦之研發成果可望運用在肥料生產方面

  該催化劑包含CaFH的固溶體(溶質原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑類型的合金相),其表面沉積釕(Ru)納米顆粒。由於在常見的脫水劑—氫化鈣中添家氟化物可使反應在低溫與低壓下完成,因此科學家進一步進行光譜與計算分析,其發現一種可能的機制,催化劑則是透過該機制促進氨的產生。這個反應機制是因氟化鈣鍵結較氫化鈣強,因此氟化鈣鍵的存在會削弱氫化鈣鍵,而Ru能夠從催化劑晶體中提取出氫原子並將電子留在原位,氫原子接著以氫氣的形式從Ru奈米粒子中進行脫附作用。滯留在晶體中的電子與氟之間產生的排斥力降低了這些電子釋放的能量障壁,從而給予這些材料較高的供電子能力,這些釋放的電子會攻擊氮氣間的鍵結,促使氨的產生。

  這項製氨的新方法不但少了能源需求,從而降低化石燃料的使用以減少二氧化碳排放量,同時也闡明哈布二氏法可持續性的可能性,為農業食品生產的下一場革命打開了大門。

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