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2018.01.26

低气压氨生产可以降低化肥能源成本

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在温和条件下破坏氮三键的镧-钴催化剂可以彻底改变小型氨合成。
不依靠耗能的Haber-Bosch工艺制造的氨水,当地的肥料合成可能很快就会有催化剂,可以在环境压力下破坏氮-氮三键。
氨是化肥中的关键成分之一,它是通过唯一能够可靠地打破强的二氮键的反应——Haber–Bosch过程——大规模生产的。然而,该反应需要极端条件——大约20 mpa的压力和温度至少400°C——这需要专业设备和大量的能量。目前,Haber-Bosch公司每年生产约1.4亿吨氨,消耗了全球2%的能源产出。

然而,由日本东京工业大学的Hideo Hosono和Junjie Wang领导的一个研究小组发现,或许有一天能减少这些巨大的能源需求:一种能在环境压力下破坏氮-氮键的镧-钴-硅(LaCoSi)催化剂。在400°C时,该催化剂在与最接近的竞争对手(钴–钼氮化物)相同的条件下生产氨的效率提高了10倍。唯一一种与LaCoSi的性能接近的催化剂是稀有而昂贵的金属钌。
LaCoSi是金属间化合物家族中的一员,包含稀土、过渡金属和p块元素。在这个装置中,钴能够打破稳定的键,如H2或N2键。这意味着速率决定步骤不是缓慢的和能量密集型的氮分离。
Hosono说,到目前为止,许多报告中氨合成的活化能是最低的。LaCoSi的秘密在于一个奇怪的“热原子”机制:在催化剂表面吸附氮时释放的能量有助于打破三键。
中科院低温氨合成专家Ping Chen说,相比之下,这项工作中报告的催化剂可能不如工业上使用的铁和钌基催化剂高效,尽管它的性能优于某些钴基催化剂。美国密歇根大学化学工程师Levi Thompson说:“我很想知道是否有真正的展示者,无论是在合成方面,还是在扩大规模方面,还是在与现有系统的兼容性方面。”
尽管如此,Thompson还是把Hosono和Wang的工作称为“非常令人兴奋的”。他说,解决低温氨合成问题是化学界的圣杯之一。东京的科学家们正在进行更大规模的实验,他们需要改进催化剂的表面积。
英国格拉斯哥大学催化材料研究人员Justin Hargreaves表示,“这是一个越来越受关注的重要领域中一项非常有趣的工作。”他补充说,随着可再生氢源的日益增多,人们渴望在更为局部的规模上产生氨,例如当地的化肥生产或能源储存。“我认为这项研究将刺激更多的活动。
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