在结合实验和计算研究中开辟了绿色氨的途径

  • 2021-11-23 17:37:41
  • 来源:

每年氨的产量约为 200 兆吨。这使它成为世界上产量第二大的化学品,仅次于硫酸。

有几种生产氨的方法,但 Haber-Bosch 工艺仍然是最普遍的工艺,约占总产量的 90%。在任何情况下,Haber-Bosch 和其他工业规模生产过程都需要高温(超过 400°C)和高压(超过 150 bar)。需要这些条件来破坏氮中的强键并与氢反应形成氨 (NH3)。

这些过程约占全球能源消耗的 1%,主要以化石燃料为基础。因此,氨是全球温室气体最密集的化学反应,约占全球 CO2排放总量的 1.5%。此外,预计未来几年对氨的需求只会增加,这主要是由于其用于合成肥料以满足日益增长的全球人口。

“气候方面以及能源和食品方面的主要挑战之一是氨的生产。今天,它是在世界上一些最大的工厂生产的。制造氨的唯一真正有效的方法是在高温和高压下使用碳基原料,”来自DTU 能源和VILLUM可持续燃料和化学品科学中心(V-Sustain) 的Tejs Vegge 教授说。他与中国科学院大连化学物理研究所(DICP)的陈平教授一起领导了这项研究。

“大自然非常擅长在环境压力和温度下在固氮酶等酶中制造氨。然而,这个过程非常缓慢,不可能扩展到工业生产,”Tejs Vegge 说。

潜在的游戏规则改变者

几十年来,科学家们一直在努力寻找新的、更可持续的方法来生产氨。Tejs Vegge 和 DTU 的同事、Jaysree Pan 博士和 Heine A. Hansen 副教授与 DICP 的团队一起推出了一种潜在的改变游戏规则的新型复杂金属氢化物催化剂,使它们达到令人梦寐以求的温和-条件氨合成。他们相信他们的方法可以为新的和更可持续的氨生产方式铺平道路。他们的论文发表在 Nature Catalysis 上。

他们的工艺使他们能够在低至 300°C 的温度和低至 1 bar 的压力下合成氨。这些催化剂的实际应用显示出基于可再生能源的小规模氨生产的前景。此类系统通常需要在约 50 巴的压力和低于 400°C 的温度下运行的催化剂。

“我们相信我们的研究脱颖而出,因为这种新型催化剂实际上介于生物和工业过程之间。它有来自人类人工过程的一些东西——多相催化——还有一些来自酶促和均相催化的东西。这是一种全新的制造氨的方法,我们正在使用两全其美的方法,使我们能够显着降低温度和压力。”

没有虚假笔记

基本上,它们的替代类络合金属氢化物催化剂(Li4RuH6和 Ba2RuH6)可以催化由氢气(H2)和氮气(N2)形成氨。氮的还原是通过多种氢化钌配合物 [RuH6]4- 实现的,这些配合物富含电子和氢。氢在中心和氮之间传输电子和质子。同时,碱金属锂或钡 (Li/Ba) 可稳定反应中间体。然而,这个过程是高度动态的;该综合体的几个部分还具有其他功能。仅计算就需要数年时间才能完成。

“一切都与我们之前看到的不同。例如,尽管钌是氨催化中众所周知的成分,但它以不同的形式存在并且表现不同。它被氢原子包围并形成氢化物复合物,使其能够以一种新的方式转移氢。你可以把这个催化剂想象成一个交响乐团,每个部分都必须协同工作才能发挥作用。令人着迷的是它确实有效——没有错误的注释,”Tejs Vegge 说。

“氨催化可以说是世界上研究最多的催化系统。作为一名科学家,找到一种真正的新机制来打开通往新世界的大门是非常令人满意的。然而,它也可能为以能源密集程度较低的方式生产氨开辟新的可能性。需要今天的大型工厂才能使生产有利可图。我们的催化剂或类似概念可以在较小的、分散的工厂中进行生产。这也将减少运输,这大大增加了价格和 CO2排放量今天的氨。”

标签:
郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如有侵权行为,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。