蓋世汽車訊 氨是化肥原料，也是清潔產(chǎn)品的主要成分，甚至被視為未來汽車化石燃料的無碳替代品。但是，由于標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)是在高溫和高壓下進(jìn)行，利用分子態(tài)氮來合成氨是能源密集型工業(yè)過程。據(jù)外媒報(bào)道，美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種可以在室溫和常壓下生產(chǎn)氨的新方法。

（圖片來源：伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室）

自1909年以來，合成氨行業(yè)通常使用金屬基催化劑，通過與氫氣的反應(yīng)來轉(zhuǎn)化分子態(tài)氮（雙氮，N2），即哈伯-博施工藝（Haber-Bosch）。伯克利實(shí)驗(yàn)室化學(xué)科學(xué)部負(fù)責(zé)人Polly Arnold發(fā)現(xiàn)，在室溫下由稀土金屬制成的催化劑可以促進(jìn)這一反應(yīng)。Arnold表示：“沒人預(yù)料到稀土金屬會(huì)發(fā)生這種反應(yīng)。它們擴(kuò)大了我們潛在的環(huán)境條件催化劑庫(kù)?！?/p>

稀土金屬在電子、激光和磁性材料等應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注。這項(xiàng)工作的主要論文作者Anthony Wong表示：“實(shí)際上稀土金屬并不稀有。有些稀土金屬幾乎和銅一樣常見，而且它們的鹽比已用于催化過程的金屬毒性小?！?/p>

自上世紀(jì)90年代以來，人們就知道稀土能與分子態(tài)氮結(jié)合。然而，到目前為止，研究人員還無法通過它們利用N2催化生成氮功能化化學(xué)品，如氨或胺。Wong、Arnold和他們的同事設(shè)計(jì)出化合物，通過由苯酚鹽（基于一種廣泛用于食品的簡(jiǎn)單抗氧化劑）制成的簡(jiǎn)單鍵合（linkages）將兩種稀土金屬連接在一起。

由此形成的結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)矩形的空腔。擴(kuò)散到腔內(nèi)的氮分子與兩端的金屬形成鍵，從而激活氣體。然后，從鉀源引入的電子攻擊活性氮，破壞其化學(xué)鍵。在所有標(biāo)準(zhǔn)形式中，轉(zhuǎn)化后的氮與氫原子（或其他反應(yīng)物）形成三個(gè)共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生對(duì)稱的氨或胺。Arnold表示：“這種催化劑可以激活并保持二氮，同時(shí)不同的試劑進(jìn)入并反應(yīng)形成不同的產(chǎn)物。”她下一步打算用電極代替鉀試劑作為電子來源，如果它們來自太陽(yáng)能電池等，就具有可再生性。

研究人員接下來將探索如何調(diào)整信箱式空腔（letterbox-shaped cavity）的形狀和大小，以使用稀土合成額外的含氮產(chǎn)品。Wong表示：“下一步我們會(huì)探索和了解哪些稀土金屬性質(zhì)會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)?！?/p>

新工藝不會(huì)取代廣泛應(yīng)用的工業(yè)哈伯-博施工藝。自2020年以來，全球氨產(chǎn)量一直徘徊在每年2億噸左右，現(xiàn)有工具經(jīng)過優(yōu)化，大規(guī)模生產(chǎn)效率極高。但這消耗了全球約2%的能源，并且各地的氨可獲得性不等。Wong表示：“我們需要更好的方法來生產(chǎn)氨。這些方法需要能源密集度更低，而且可以在常溫常壓下進(jìn)行，以促進(jìn)實(shí)現(xiàn)糧食和能源安全。”這種專利技術(shù)有助于將化肥和化學(xué)專用氮產(chǎn)品運(yùn)送到?jīng)]有管道的地區(qū)，而且成本要低得多。

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