为环保氨只加水

斯坦福大学的研究人员发现一个简单的和环保的方法,使氨微小液滴的水和空气中的氮。

氨(NH3)的起点为农作物生产化肥。超过一个世纪以来,世界已经依赖于产生氨散装,哈勃-博施方法突破帮助彻底改变农业和养活一个蓬勃发展的人口。但是是能源密集型工业过程。打破氮强大的债券,这需要哈勃-博施方法约80 - 300年大气压力和温度在572 - 1000 F (300 - 500 C)。天然气流程中涉及的steam-treating也释放大量的二氧化碳。

总之,以满足当前年度全球需求1.5亿吨氨,消耗了超过2%的哈勃-博施方法的全球能源和占大约1%的二氧化碳排放到大气中。

相比之下,由斯坦福大学的研究人员所作的首次创新方法需要较少的专业环境。

“我们震惊地看到,我们可以生成氨在良性的,每天温度和压力环境空气和水,使用一些基本的喷雾器,”说研究高级作者理查德•Zare玛格丽特布莱克威尔伯教授自然科学和化学教授在斯坦福大学人文科学学院。“如果这个过程可以扩大规模,这将是一个环保的新方法使氨,这是最重要的一个化学过程,发生在世界。”

新方法还使用能源和以低成本,从而指出前进的可能产生有价值的化学以可持续的方式。小薇的歌,斯坦福大学化学博士后学者,是该研究的第一作者,4月10日发表在《美国国家科学院院刊》上。

新化学理论研究

新的化学发现遵循的脚步Zare开创性工作的实验室近年来检查长期被忽视和microdroplets出奇的高反应活性的水。在2019年的一项研究中,Zare和他的同事们使用新方法证明了碱性过氧化氢自发形式microdroplets接触表面。之后的实验证实机制之间的电荷跳液体和固体材料和生成分子片段,称为活性氧。

进一步将这些发现,歌曲和Zare开始合作研究的合著者Basheer Chanbasha,法赫德国王大学的化学教授在沙特阿拉伯的石油和矿产。Chanbasha专门从事纳米材料能源、石化和环境应用程序和去年夏天来到斯坦福大学作为访问学者。

研究团队把目光聚集在催化剂——这个词对于任何物质,促进化学反应的速率但不是本身退化或改变的反应,他们怀疑可能有助于火焰氨的化学途径。催化剂由氧化铁,叫做磁铁矿,合成膜发明于1960年代,是由重复的两个大的分子链。

研究人员应用的催化剂石墨网那首歌纳入一个汽油动力喷雾器。这个喷雾器microdroplets注入水(H2O)和压缩分子氮(N2)反应在催化剂的存在。使用的设备称为质谱仪,歌曲分析microdroplets的特点和氨的签名收集到的数据。

低技术、低能耗的氨合成

Zare和他的同事们对这个结果非常满意,尤其是考虑到相对低技术含量的方法。“我们的方法不需要任何电电压的应用程序或形式的辐射,“Zare说。

从更广泛的化学的角度来看,该方法是非凡的,它使用三个阶段的事:氮气体,水是液体,固体催化剂。“据我们所知,使用气体,液体和固体同时导致化学转换中的首例,具有推进其他化学转换的巨大潜力,”Zare说。

承诺时,氨生产方法揭示了Zare,歌曲,Chanbasha现在只是在示范阶段。研究人员探索如何集中生产氨的计划以及衡量这个过程可能扩大到商业上可行的水平。虽然Haber-Bosch只是效率追求巨大的设施时,新的ammonia-making方法可以携带和现场完成,甚至按需在农场。反过来,将削减温室气体排放相关的运输氨从遥远的工厂。

“进一步发展,我们希望我们的氨生成方法可以帮助解决的两个主要的迫在眉睫的问题继续养活地球数十亿人的不断增长的人口,同时还减轻气候变化,“Zare说。“我们希望,兴奋地继续研究这一行。”

参考:歌X, Basheer C, Zare RN。microdroplets使氨氮和水。PNAS。2023;120 (16):e2301206120。doi:10.1073 / pnas.2301206120

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