科学家开发出更便宜、更清洁、更环保的氨生产新方法

在我们每天使用的众多化学品中，氨是对大气影响最严重的化学品之一。由于生产氨需要高温和高能耗，这种用于化肥、染料、炸药和许多其他产品的氮基化学品的碳排放量仅次于水泥。但是，通过改进一种电化学反应协调锂、氮和氢原子的"交响乐"，由 Meenesh Singh 领导的伊利诺伊大学芝加哥分校的工程师们开发出了一种新的氨生产工艺，该工艺可实现多项绿色目标。

这幅图画展示了以锂为媒介将N2转化为氨的过程。图中是在电沉积锂（黑色瓷砖）上发生的一系列反应。在高压下，氮气（添加蓝色块）在锂上发生化学吸附，随后质子化（添加白色块）形成 NHx，最终生成氨气并回收锂。这一循环过程形成了产生氨的催化节奏。这项研究强调了压力和电位在控制固体电解质界面的结构和稳定性以实现氨合成方面的重要性。资料来源：Crystal Price 和 Joseph Gauthier，德克萨斯理工大学；Meenesh Singh，伊利诺伊大学芝加哥分校

这一过程被称为锂介导的氨合成，它将氮气和乙醇等供氢流体与带电的锂电极结合在一起。氮原子不会在高温高压下分解氮气分子，而是粘附在锂上，然后与氢结合生成氨分子。

该反应可在低温下进行，而且具有再生性，每生产一轮氨，就能恢复原来的材料。

"有两个循环会发生。一个是氢源的再生，第二个是锂的再生，"UIC 化学工程副教授辛格说。"由于循环过程的存在，这一反应中充满了交响乐。我们所做的就是以一种更好的方式来理解这种交响乐，并尝试以一种非常有效的方式来调节它，这样我们就能产生共振，使其更快地进行。"

辛格实验室在《ACS 应用材料与界面》（ ACS Applied Materials & Interfaces）杂志封面上发表的一篇论文介绍了这一工艺，这是辛格实验室在寻求更清洁的氨方面的最新创新。在此之前，他的研究小组开发出了利用阳光和废水合成这种化学物质的方法，并制造出了一种电气化铜网筛，减少了制造氨气所需的能量。

他们的最新研究成果建立在一种并不新奇的反应之上。科学家们对它的了解已有近一个世纪。

"基于锂的方法实际上可以在任何有机化学教科书中找到。这是众所周知的。"辛格说。"但是，让这种循环高效、有选择性地运行，从而达到经济上可行的目标，这是我们的贡献"。

这些目标包括高能效和低成本。辛格表示，如果规模扩大，该工艺生产氨的成本约为每吨 450 美元，比以前的锂基方法和其他拟议的绿色方法便宜 60%。但是，选择性也很重要，因为许多使氨生产更清洁的尝试最终都产生了大量无用的氢气。

辛格小组的研究成果是首批在选择性和能源使用方面达到能源部氨工业化生产标准的成果之一。辛格还表示，该工艺可以在模块化反应器中进行，通过太阳能电池板或其他可再生能源供电，并用空气和水为反应提供原料，可以使该工艺更加绿色环保。

该工艺还有助于实现另一个能源目标--将氢用作燃料。实现这一目标一直受制于运输高可燃性液体的困难。

"产生氢气、运输氢气并将氢气输送到氢气泵站，然后将氢气输送到汽车，这非常危险，"辛格说。"氨可以作为氢的载体。它的运输成本很低，而且很安全，在目的地可以把氨转化回氢。"

目前，科学家们正与通用氨公司（General Ammonia Co.UIC）的技术管理办公室已为该工艺申请了专利。

编译自:ScitechDaily