碳中和的新炼金术:新型光催化剂在室温下即可从大气氮中产生氨,无需化石燃料

2021年11月10日 阅读量:3

氨 (NH 3 ) 是肥料的主要成分,也是一种很有前途的无碳能源载体。然而,氨生产消耗了世界能源生产总量的 2% 左右,每年排放 500 公吨二氧化碳。由香港城市大学 (CityU) 科学家领导的研究小组开发了一种新型光催化剂,可以在室温下利用阳光从大气中的氮中产生氨。这种新方法优于导致大量碳排放的传统方法。研究小组认为,这种可持续的氨生产技术将推动未来氮经济的发展。

这项研究由来自城大能源与环境学院(SEE)的信兴教育及慈善基金能源与环境学教授梁国喜教授和尚进博士以及澳大利亚学者领导。他们的研究结果发表在科学杂志ACS Nano 上,标题为“用于光催化固氮的卟啉基金属有机框架中的原子分散铁金属位点”。

 

氨:一种新兴燃料,可替代石油和煤炭发电

 

氨是食物和肥料的重要组成部分。大部分人造氨用于生产农业肥料。氨也是一种重要的化学品,具有广泛的工业用途,从生产清洁剂到制冷剂。更重要的是,氨近年来备受关注,因为它为燃料电池提供了氢气来源,而且比氢气更容易液化和运输。此外,氨本身可以作为石油和煤炭以外的发电燃料。因此生产氨的需求量很大。

 

目前的生产方式:对环境有害

 

“固定”氮气是生产氨之前的重要步骤。尽管大气的 80% 由氮组成,但这种“游离”氮在转化为含氮化合物之前无法利用。这种转化过程称为“固氮”。

 

固氮可以自然或人工完成。人工方法通常是指在高温高压下的工业哈伯-博世工艺,使用铁作为催化剂,从氮气和氢气中生产氨。如今,氨生产严重依赖哈伯-博世工艺,但它不可持续,因为它消耗大量化石燃料并导致大量二氧化碳排放。

 

为了寻找一种可持续的氨生产方式,梁教授和金博士将他们的团队聚集在一起,开发一种使用水和可再生能源在环境条件下固氮的方法。联合团队面临的最大挑战是制造催化剂,以实现具有挑战性的固氮多步反应。

新型仿生光触媒

 

在自然界中,固氮酶(一种酶)中的铁能很好地结合并活化氮,而叶绿素中的卟啉(一种有机化合物)则能有效地吸收阳光。受上述自然机制的启发,该团队开发了一种铁金属化卟啉基金属有机骨架(MOFs)光催化剂。

 

这种仿生光催化剂的厚度仅为 15 至 25 纳米,在环境温度和压力下,通过阳光驱动并以水为还原剂实现人工固氮后,可以产生氨。

 

该团队在这种光催化剂中使用了 MOF,因为它在表面提供了更多的活性位点,用于吸附和活化氮。因此提高了氮还原反应的效率。

 

该团队用这种光催化剂进行了实验,并证明可以产生氨。“我们开发了一种新型光催化剂,能够在基于 MOF 的光催化剂类别中实现最佳的光催化固氮性能。它在 MOF 中表现出最高的氨产率和最佳的水解稳定性,”梁教授说。良好的水解稳定性意味着光触媒可重复使用。

通过这项研究,该团队探索了仿生光催化剂上的光催化氮还原反应。尚博士指出,从这项工作中获得的新知识将指导下一代基于 MOF 的光催化剂的合理设计。他相信他们的发现将释放开发各种卟啉基 MOF 作为光催化剂用于各种能源和环境应用的潜力。

 

该团队希望这项开创性研究能够激发催化领域的科学家和工程师探索和开发基于 MOF 的仿生光催化剂,用于在环境温度和压力下催化其他化学反应,而不仅限于人工固氮。

 

“通过无化石燃料的工艺生产能源和商品化学品是实现碳中和的理想选择。这项研究开发了一种通过收集阳光从大气中的氮和水生产氨的技术。我们可持续地获得了无碳能源,”梁教授总结道。该团队相信他们的发现将有助于缓解日益紧迫的能源危机和环境问题。

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