新技術(shù)使制造化肥碳排放量減半

三合一反應(yīng)器最終可能取代用來生產(chǎn)氨和化肥的工廠。圖片來源：SAOIRSE_2010/ISTOCK.COM

為了養(yǎng)活全球70多億人口，人類依靠有上百年歷史的哈伯—博世工藝將空氣中的氮和天然氣中的甲烷轉(zhuǎn)化為氨，后者是制造化肥的原始材料。但是這一過程每年排放了超過4.5億噸的二氧化碳，約占人類碳排放總量的1%，比任何其他工業(yè)化學(xué)反應(yīng)的碳排放量都要多。

如今，一種新型陶瓷反應(yīng)器可以將這一過程的碳排放量減半。如果可以擴(kuò)大規(guī)模，這項(xiàng)新技術(shù)還可以降低全球化肥價(jià)格，因?yàn)樗梢宰屴r(nóng)田附近的小化工廠更加容易地生產(chǎn)化肥。

“這一成果讓我印象很深。”并未參與該項(xiàng)研究的美國劍橋市麻省理工學(xué)院化學(xué)工程師Karthish Manthiram說。20世紀(jì)初發(fā)明的哈伯—博世工藝使用3個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器從甲烷中生成氫，然后將甲烷與氮結(jié)合生成氨。相比之下，新方法將3個(gè)反應(yīng)器合為1個(gè)反應(yīng)器。

“這種流線型設(shè)計(jì)減少了能源消耗和二氧化碳排放量。”Manthiram說。

制造氨的標(biāo)準(zhǔn)三步法的第一步被稱為蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化。在這一過程中，高溫以及1000攝氏度的高溫，使得蒸汽和甲烷在固體鎳催化劑上混合。催化劑加速了分解蒸汽和甲烷的化學(xué)反應(yīng)，并生成了氫氣分子和一氧化碳(一種有毒氣體)分子。隨后，第二個(gè)反應(yīng)器將一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)化為更溫和的二氧化碳和氫氣。最后，第三個(gè)反應(yīng)器將氫氣和氮轉(zhuǎn)化為氨。但是在第一個(gè)反應(yīng)器中產(chǎn)生的氫氣減慢了鎳催化劑的工作速度。

為了讓催化劑以一種更高的速度工作，荷蘭埃因霍芬市基礎(chǔ)能源研究所化學(xué)工程師Vasileios Kyriakou和來自希臘的同事，尋求了一種新的反應(yīng)器設(shè)計(jì)，能在氫原子從甲烷分子中剝離出來后立即將其移除。

研究人員制造了一根薄薄的陶瓷管，蒸汽和甲烷在里面像往常一樣混合在一起。管道內(nèi)壁上的鎳催化劑產(chǎn)生了帶正電荷的氫離子、電子和二氧化碳。隨后，二氧化碳以廢氣的形式從管中排出，同時(shí)，外加的電壓推動(dòng)帶負(fù)電荷的電子通過一根導(dǎo)線到達(dá)覆蓋在陶瓷管外表面的第二種催化劑上。

這些負(fù)電荷反過來使帶正電荷的氫離子穿過陶瓷膜壁來到管的外表面。這種離子的虹吸作用使得陶瓷管內(nèi)的催化劑能夠以更快的速度工作。它還可以使該反應(yīng)在大約600攝氏度的環(huán)境中進(jìn)行，這個(gè)溫度只產(chǎn)生副產(chǎn)品二氧化碳，而不是必須進(jìn)一步處理的一氧化碳。

與此同時(shí)，在陶瓷管的外表面，含有釩、氮和鐵的第二種催化劑使氫離子、電子和氮分子分別進(jìn)入管道并形成氨，所有這些反應(yīng)都是在大氣壓下進(jìn)行的。

研究人員在本周出版的《焦耳》雜志上報(bào)告說，由于驅(qū)動(dòng)反應(yīng)所需的能量減少，他們只需用常規(guī)蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的二氧化碳的一半就能制造出氨。

Kyriakou指出，除了更有價(jià)值的氨外，第二種催化劑還生成一些氫氣。研究人員通過將這些氫氣注入燃料電池，并使之與氧氣結(jié)合，從而產(chǎn)生了水和電，而這些電被他們用來驅(qū)動(dòng)陶瓷氨反應(yīng)器。

Kyriakou說，目前氨合成催化劑在陶瓷管的外表面仍然太慢，導(dǎo)致這個(gè)過程無法與蒸汽甲烷轉(zhuǎn)化競(jìng)爭(zhēng)。然而，他說，自己和同事已經(jīng)在尋找改進(jìn)的催化劑，以幫助他們顛覆有史以來最重要的化學(xué)過程之一。

研究人員可能會(huì)得到很多幫助。Manthiram說：“這是一種截然不同的(制造氨的)戰(zhàn)略，將激勵(lì)許多其他機(jī)構(gòu)嘗試這種做法。”

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.10.006