新型催化剂可实现能源友好型氨生产用于化肥和替代燃料

日本理化学研究所可持续资源科学中心(CSRS)的上口聪(SatoshiKamiguchi)领导的研究人员发现了一种更环保的生产氨的方法，氨是肥料中使用的一种重要化合物。

这项发表在《化学科学》上的研究描述了一种新型催化剂，可以在相对较低的温度下稳定工作，从而减少合成氨所需的能源和资金。由于氨是一种安全储存氢气的极好方法，而且其本身也是一种极好的替代燃料，这一发现将使从化石燃料转向碳中和和绿色能源经济变得更容易。

肥料是为植物提供额外氮的一种方式，有助于植物生长并提高作物产量。肥料中的氮来自氨，氨是通过分解氢(H2)和氮(N2)分子并通过哈伯-博世工艺将各个元素结合在一起形成氨气(NH3)而制成的。该反应需要极高的压力和温度以及铁催化剂。

反应所需的极高压力和温度(约200个大气压和500°C(932°F))需要大量能量。由于氨广泛应用于化肥和其他行业，因此全球生产消耗了大量能源。为了帮助减少氨的能源足迹，RIKENCSRS研究人员开发了一种更加环保和能源友好的反应，该反应可以在更低的温度下稳定进行而不会失活。

最大的障碍是分解氮气，因为氮气分子内的两个氮原子之间存在牢固的三键。“诀窍是使用由六核分子金属卤化物簇制备的超小钼金属颗粒，然后用氢气激活，”Kamiguchi说。

一旦被激活，多个钼原子就会共同作用，打破牢固的氮-氮键并快速驱动氨合成。经过测试，这种新方法能够在200°C(392°F)的温度下连续500小时以上从氮气和氢气中产生氨，大大降低了使用传统哈伯-博世工艺时所需的温度。

除了影响化肥行业之外，如果氨燃料在全球范围内使用，生产氨的新方法还可以间接帮助减少碳排放。氨燃料可以直接在内燃机中燃烧而不排放任何CO2，​​但由于高能的哈伯-博世过程而尚未成为实用的替代品。

新方法的优点之一是它可以实现较低能耗的氨生产，如果大规模使用氨燃料，将大大减少碳排放。

氨在储存氮肥的同时，也储存氢气。这使其成为氢的理想载体，一些人认为氢是理想的能源。当需要储存的氢气时，它可以从氨中释放出来并用作燃料，而不排放二氧化碳。

“用我们的新方法取代哈伯-博世工艺应该会在全球范围内实现节能，”Kamiguchi说。“如果大量使用氨燃料和氢燃料，大大减少合成氨所需的能量将导致二氧化碳排放量降低，并有助于防止全球进一步变暖。”

仍然存在一个问题。制造氨所需的氢气本身仍然是使用化石燃料生产的，并且必要的大量氢气也会导致巨大的CO2排放和能源消耗。因此，Kamiguchi指出，“当我们的催化剂系统与利用可再生能源生产绿色H2相结合时，可以进一步减少导致全球变暖的CO2排放量。”

目前，研究小组正致力于在钼基催化剂中添加促进剂，以提高氨合成效率。