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可持续为世界提供燃料 使用更少的能量合成氨

作者: 武汉新闻网 更新时间: 2020年04月28日 16:01:23 游览量: 176

简述:

东京工业大学(Tokyo Tech)的科学家通过采用常见的脱水剂氢化钙并向其中添加氟化物,开发出了一种改进的催化剂。通

东京工业大学(Tokyo Tech)的科学家通过采用常见的脱水剂氢化钙并向其中添加氟化物,开发出了一种改进的催化剂。通过仅使用现有技术所需能量的一半,该催化剂仅在50°C的温度下即可促进氨的合成。这为低能耗和减少温室气体排放的氨生产打开了大门。

可持续为世界提供燃料 使用更少的能量合成氨

氨对于制造植物肥料至关重要,而植物肥料又养活了世界70%的人口。在工业上,氨是通过哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺生产的,其中甲烷首先与蒸汽反应生成氢气,然后氢气与氮气反应生成氨。该过程的问题是随着温度升高,产率降低。为了继续获得良好的产率,需要增加施加在反应室中的压力。这需要很多能量。此外,用于反应的铁基催化剂仅在350℃以上才有效。维持这样的高温还需要大量的能量。最重要的是,产率仅为30-40%。

目前,化石燃料被用于驱动该过程,从而向大气中贡献了大量的二氧化碳。已经采用了可再生资源替代方法,例如风能,但事实证明这些替代方法不可持续。因此,为了增加产量同时减少对环境的危害,该反应必须在低温下进行。为此,需要能够在低温下反应的催化剂。

到目前为止,这种催化剂对科学家来说还遥不可及。“常规催化剂在100-200°C时会失去从N 2和H 2气体生成氨的催化活性,即使它们在高温下表现出高催化性能也是如此,”来自日本东京理工大学的一组科学家指出。终于解决了催化剂问题。由Michikazu Hara博士领导的科学家开发了一种即使在50°C时仍然有效的催化剂。“我们的催化剂可在50°C的温度下从N 2和H 2气体中产生氨,活化能非常小,为20 kJmol -1,这是传统催化剂的一半。” Hara博士及其同事在《自然通讯》上发表的论文中指出。

他们的催化剂包括CaFH的固溶体,其表面沉积有钌(Ru)纳米颗粒。加入氟化物(F - ),以氢化钙(CAH 2),公共脱水剂,是什么使催化剂在较低的温度和压力下有效。在进行光谱和计算分析之后,科学家们提出了一种可能的机制,催化剂可以通过该机制促进氨的产生。

氟化钙(Ca-F)键比钙氢(Ca-H)键强。因此,Ca-F键的存在会削弱Ca-H键,Ru能够从催化剂晶体中提取H原子,从而将电子留在原位。然后,H原子作为H 2气体从Ru纳米颗粒上解吸。即使在50°C时也会发生这种情况。捕获电子和F之间所产生的电荷排斥-在晶体中的离子为降低这些电子的能量壁垒释放,从而赋予材料高的给电子能力。这些释放的电子攻击N 2气体中氮原子之间的键,促进氨的产生。

这种新的氨生产方法降低了能源需求,从而减少了因使用大量化石燃料而产生的二氧化碳排放量。这项研究的结果阐明了哈伯-博世在环境上可持续的过程的可能性,为农业食品生产的下一场革命打开了大门。

文章链接://jksh/31373.html

文章标题:可持续为世界提供燃料 使用更少的能量合成氨