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钼基催化剂新型制氨工艺颠覆传统哈布二氏法

信息来源:r-f.cn  时间:2019-10-19  浏览次数:12

东京大学研究人员近日基于一种特殊钼基催化剂,发现了可以轻便、高效、清洁、低能耗、低成本的新型制氨工艺——钐催化氨气生产(SWAP),能够改善农民获取氨肥的途径。相关研究成果发表在《自然》上。

钼基催化剂新型制氨工艺颠覆传统哈布二氏法

钐催化氨气生产

传统的将大气中的氮气合成氨的工艺是哈布二氏法Haber–Bosch(),被誉为20世纪最伟大的发明之一,促进了颠覆式技术的发展。但这种方法存在着高能耗的弊端。

据了解,哈布二氏法制造工艺每个循环只转换10%的原料,所以需要运行多次才能全部耗尽。其中一种原料是来自化石燃料生产的氢气。化学反应是在大约400~600摄氏度高温和100~200个大气压的压力下进行的,生产过程消耗了大量的能源。

而SWAP工艺可以改善这种情况。东京大学系统创新系教授Yoshiaki Nishibayashi解释称,“哈布二氏法的生产过程消耗了所有天然气产量的3%~5%,大约占世界能源供应总量的1%~2%。相比之下,豆类植物具有共生的固氮细菌,它们能够在正常的大气温度和压力下产生氨。我们分离了这一机制,并对固氮酶进行了反向工程设计。”

多年来,Nishibayashi和他的团队使用实验室制造的催化剂,试图复制固氮酶的功能表现。其他研究人员也进行过尝试,但他们的催化剂在失效前只能产生几十到几百个氨分子。而Nishibayashi团队所采用的特殊钼基催化剂在4小时内可产生4350个氨分子,然后才会失效。

Nishibayashi介绍,SWAP工艺制造氨的速度是哈布二氏法的300~500倍,而且效率达到了90%。鉴于其生产过程以及原材料收集过程极大地节省了能源,因此这一工艺的好处显而易见。

此外,任何拥有合适原材料的人都能够借助化学实验设施进行SWAP生产,而哈布二氏法则需要规模巨大的工业设备。这一新工艺能够为缺乏昂贵设备投资能力的企业带来机会。从成本及能源角度来说,原材料本身就是巨大节省。

SWAP生产就像哈布二氏法一样从空气中提取氮气,但是特殊的钼基催化剂将氮气与水中的氢和二碘化钐的电子结合到一起。二碘化钐目前能够通过采矿获得,而且能够在SWAP过程中耗尽。二碘化钐可以通过电力补充失去的电子从而实现回收利用,而且研究人员计划未来将其替换成廉价的可再生资源。

Nishibayashi称:“我们发现一些像水一样常见的化合物可以作为原材料。钼基催化剂通常不允许这样做,但我们的催化剂是特殊的。这是第一个反应速率接近自然界中固氮酶生成速率的人工固氮反应。和自然发生的过程一样,它也是被动的,因此对环境更有利。”

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