化学家利用等离子技术挑战经典合成氨工艺学术资讯

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质子化水与氮分子在等离子-液体界面反应生成氨。

大约在一个世纪以前，氨首次被化学家们合成出来。如今，氨的用途已多达几十种，并且是化肥工业不可或缺的原料。然而，尽管很早之前就可以大规模生产氨，但合成过程大多需要在大型化工厂中完成，且能耗极高。

近日，据《科学进展》杂志报道，美国凯斯西储大学的电化学合成与等离子体技术专家正在努力解决这个问题。研究人员Julie Renner和Mohan Sankaran提出了一种用氮气和水在低温低压下制造氨的新工艺。他们已经完成了实验室研究工作，并且没有使用氢或传统合成氨工艺中必需的固体金属催化剂。桑卡兰教授说：“我们开发的合成氨方法是全新的。”

等离子体通常被称为固态、液态和气态之外的第四种物质状态。等离子体是电离的气体云，主要由正离子和自由电子构成。独特的构成赋予了等离子体在室温下激活化学键(包括惰性的氮分子)的能力。化学和生物分子工程助理教授Renner认为，这种新工艺因为不需要高压、高温或氢气，所以具有良好的适用性和可扩展性——对小型工厂来说，这是一种的理想的能由可再生能源驱动的技术。

1918年，德国物理化学家Fritz Haber因开发了铁催化合成氨工艺而获得了诺贝尔化学奖。1931年诺贝尔奖得主、工业化学家Carl Bosch通过蒸汽甲烷转化技术进一步降低了生产成本。自此，哈伯-博世法成为利用氮气和氢气合成氨的通用方法。

Renner和Sankaran决定利用与柏克兰-艾德法相似的方法挑战哈伯·博世法。柏克兰-艾德法比哈伯·博世法问世的时间更早，但它在竞争中落败了——它需要大量的电能，而电能在20世纪早期是一种非常有限的资源。Sankaran说：“我们的方法类似于氨的电解合成，这种替代方法因能与可再生能源结合而受到关注。然而，与柏克兰-艾德法一样，我们使用的等离子体也是能量密集型的技术。电力需求仍然是一个巨大的障碍，但随着可再生能源的增加，这个情况会得到很大改善。最重要的是，我们的合成氨工艺不涉及氢气，避开了电解法的主要技术瓶颈。”此外，雷纳-桑卡兰法也不涉及固体金属催化剂。Sankaran说：“在我们的系统中，氨是在气体等离子体和液态水的界面和溶液中自由形成的。”

目前，虽然雷纳-桑卡兰法的氨产量还不高，能源效率也低于哈伯-博世法。但是随着不断的优化，雷纳-桑卡兰法或能更好地适应使用绿色能源的小型氨厂。

科界原创

编译：德克斯特

审稿：西莫

责编：张梦

期刊来源：《科学进展》

期刊编号：2375-2548

原文链接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-01/cwru-ma011119.php