绿色氨技术新突破:不需要额外能量就可将氨转化为氮

2021年11月17日 阅读量:3

威斯康星大学麦迪逊分校的一个研究小组已经确定了一种将氨转化为氮气的新方法,该方法可能是朝着氨取代碳基燃料迈出的一步。

这项技术的发现使用金属催化剂并释放(而不是需要)能量,于 11 月 8 日在《自然化学》上报道,并已获得威斯康星校友研究基金会的临时专利。

 

该论文的作者、威斯康星大学麦迪逊分校化学家约翰·贝里 (John Berry) 实验室的前博士后研究员克里斯蒂安·沃伦 (Christian Wallen) 解释说,世界目前正在运行碳燃料经济。因为我们燃烧碳氢化合物,将二氧化碳释放到大气中。我们没有办法关闭真正的碳循环回路,在那里我们可以将二氧化碳转化为有用的燃料。

 

为了实现联合国设定的到 2050 年世界实现碳中和的目标,科学家们必须考虑以对环境负责的方式从碳以外的元素中产生能源,而威斯康星大学麦迪逊分校的团队正在提议一种基于碳中和的氮能源经济。

 

科学家们兴奋地发现,将氨添加到含有类铂元素钌的金属催化剂中会自发产生氮,这意味着不需要额外的能量。相反,这个过程可以用来发电,副产品是质子和氮气。此外,金属络合物可以通过暴露在氧气中回收并重复使用,这比使用碳基燃料要清洁得多。

 

“我们发现,我们不仅在制造氮,而且是在完全前所未有的条件下制造氮,”贝瑞说,他是莱斯特麦克纳尔化学教授,专注于过渡金属化学的研究。能够在环境条件下完成氨到氮的反应——并获得能量——是一件非常重要的事情。

 

多年来,氨一直被用作燃料来源。在第二次世界大战期间,它被用于汽车,今天的科学家正在考虑在发动机中燃烧它以替代汽油的方法,特别是在海运业中。然而,燃烧氨会释放有毒的氮氧化物气体。

 

新反应避免了那些有毒副产物。如果反应发生在氨和钌在电极表面发生反应的燃料电池中,它就可以在不需要催化转化器的情况下清洁地发电。

 

“对于燃料电池,我们想要的是电输出,而不是输入,”沃伦说。“我们发现了在室温下催化氨转化为氮气的化合物,无需施加任何电压或添加化学品。据我们所知,这是第一个做到这一点的过程。”

 

“我们已经建立了用于分配氨的基础设施,它已经在哈伯-博世过程中由氮气和氢气大量生产,”该论文的研究生和作者迈克尔·特伦里 (Michael Trenerry) 说。“这项技术可以实现无碳燃料经济,但它是难题的一半。氨合成的缺点之一是我们用来制造氨的氢气来自天然气和化石燃料。”

然而,这种趋势正在发生变化,因为氨生产商试图生产“绿色”氨,其中氢原子由碳中性水电解而不是能源密集型的哈伯-博世工艺提供。

 

Berry 表示,随着氨合成的挑战得到满足,使用氨作为常见的能源或燃料会有很多好处。它是可压缩的,就像丙烷一样,易于运输和储存。虽然一些氨燃料电池已经存在,但与这种新工艺不同,它们需要额外的能量,例如,首先将氨分解成氮气和氢气。

 

该小组的下一步包括研究如何设计利用新发现的燃料电池,并考虑采用环保方法来制造所需的起始材料。

 

“我想考虑的下一个挑战之一是如何从水中生成氨,而不是氢气,”Trenerry 说。“梦想是加入水、空气和阳光来制造燃料。”

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