中國儲能網(wǎng)訊：將空氣中的氮轉(zhuǎn)變?yōu)榉柿系哪芰?，成功使得農(nóng)民們靠種地多養(yǎng)活了數(shù)十億人。否則，僅靠我們的星球根本無法維持這么多人的生存。不過，這種方式所帶來的代價也是巨大的。為了制造化肥生產(chǎn)所需的最起始原料——氨，大量的化工廠消耗掉了全球5%的天然氣，而且每年要向空氣中排放數(shù)億噸二氧化碳。如今，化學(xué)家已經(jīng)利用可再生能源發(fā)明出一種新的替代方法。在日前出版的《科學(xué)》雜志上，他們對此進(jìn)行了介紹：利用太陽光產(chǎn)生的熱量和電能，將空氣中的氮和水中的氫“縫合”在一起，從而生產(chǎn)出氨。整個過程下來，沒有釋放一個二氧化碳分子。
位于華盛頓州里奇蘭的西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家Morris Bullock表示，這是一個非常重要的科學(xué)突破。不過，來自坦佩市亞利桑那州立大學(xué)的化學(xué)物理學(xué)家Ellen Stechel認(rèn)為，問題在于該過程在實(shí)驗(yàn)室中所表現(xiàn)出的“令人非常欽佩”的效率能否有進(jìn)一步的提升，從而和目前的合成氨工業(yè)一決高下。
空氣中的氮分子具有惰性，通過3個不容易被破壞的共價鍵緊緊結(jié)合在一起。在19世紀(jì)早期，德國化學(xué)家Fritz Haber 和Carl Bosch發(fā)現(xiàn)了如何讓氮具有更多的生物活性。他們利用很高的壓力和溫度將這些化學(xué)鍵“切斷”，然后把氮原子“焊接”到氫上，從而制造出氨，即NH3。如今，這種反應(yīng)方式每年會生產(chǎn)數(shù)億噸氨。
然而，這種反應(yīng)需要消耗大量的能源，這促使很多研究人員尋找新的可替代方案。一種比較流行的方法是尋找可以破壞氮的3個共價鍵的催化劑，然后在有電能供應(yīng)的情況下制造氨。不過，迄今為止，即使是最好的此類催化劑，也只能得到1%左右的電子用于形成氨的化學(xué)鍵。
喬治華盛頓大學(xué)的化學(xué)家Stuart Licht從另一個相反的方向解決了這個難題。他將目光投向了燃料電池，因?yàn)楹笳呖梢园寻狈纸鉃榈蜌洌瑥亩谶@個過程中產(chǎn)生電能。一種能夠幫助帶電離子在裝置中移動的新的電解液，極大地提高了燃料電池的效率。
Licht和他的同事嘗試?yán)猛环N電解液，即鉀和氫氧化鈉的熔融混合液，以相反的過程合成氨。事實(shí)證明這種方法奏效了。在反應(yīng)器中，他們將電解液和由氧化鐵產(chǎn)生的催化納米顆粒結(jié)合在一起，然后通入水、空氣、熱量和電能。反應(yīng)器將水分解，把氮中強(qiáng)大的化學(xué)鍵“扯斷”，然后把這些成分“焊接”在一起，從而形成氨和氫分子，而氫本身又是一種燃料。整個過程下來，最終共有65%的電能被儲存在化學(xué)鍵中，其中35%儲存于氨中，30%存于氫分子中。
James Miller是位于新墨西哥州阿布奎基的桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家，專門從事利用太陽能制造化學(xué)燃料的研究。在他看來，盡管上述方法令人印象深刻，但要想取代Haber和Bosch發(fā)明的傳統(tǒng)方法，還有很長的一段路要走。只有在提供很少電能的情況下，反應(yīng)器的效率才能達(dá)到最佳效果。Stechel 認(rèn)為，Licht和他的團(tuán)隊仍舊需要將目前的規(guī)模擴(kuò)大50倍，才能使其與相關(guān)的工業(yè)流程相匹配。不過，Miller表示，無論如何，他們已經(jīng)行駛在正確的道路上。
Licht在發(fā)表的研究論文中也提到，這種方法仍有很大的改進(jìn)空間。例如，在這個過程中，三氧化二鐵被用作表面活性劑。相比之下，如今流行的Haber-Bosch法采用了三氧化二鐵或者釕基催化劑作的催化物，還包括種類非常廣泛的、經(jīng)過仔細(xì)優(yōu)化的添加劑，而這些都有可能改善所進(jìn)行的電化學(xué)過程。
