麻省理工学院化学工程师开发技术以实现更便宜的肥料生产

化学工程师用小型电化学反应器迈向产生氨的一步。

世界上大部分肥料都是在大型制造工厂生产的，这需要大量的能量来产生将氮和氢气结合到氨中所需的高温和压力。

麻省理工学院化学工程师正在努力开发一个较小的替代方案，他们设想可以用于局部生产偏远，农村地区，如撒哈拉以南非洲的农民肥料。由于从大型制造设施运输的成本，肥料通常很难获得这些区域。

在迈向那种小规模的生产的步骤中，研究团队设计了一种方法可以使用电流将氢气和氮气结合以产生锂催化剂，在那里发生反应。

“在未来，如果我们想象我们有一天要使用这一天，我们希望一个可以在空中呼吸的设备，占用水，有一个太阳能电池板挂钩，并能够生产氨。这可以由农民或农民小社区使用，“麻省理工学院的化学工程助理教授Karthish Manthiram说，该研究的高级作者。

研究生Nikifar Lazouski是本文的牵头作者，今天出现在自然催化。其他提交人包括闵会涌和Kindle Williams的研究生和科米尔·米科尔大会。

100多年来，肥料已经使用Haber-Bosch工艺制造，将大气氮与氢气相结合以形成氨。用于该方法的氢气通常由衍生自天然气或其他化石燃料的甲烷获得。氮是非常不反应的，因此需要高温（500摄氏度）和压力（200个大气压）来使其与氢气反应形成氨。

使用这个过程，制造工厂每天可以产生数千吨氨，但它们的运行昂贵，它们发出大量二氧化碳。在大量生产的所有化学品中，氨是温室气体排放的最大贡献者。

描绘了与水电解槽联接的电化学Haber-Bosch反应器的模型的照片，其中反应器突出显示。

麻省理工学院团队旨在开发一种可以减少这些排放的替代制造方法，增加了分散的生产的额外利益。在世界的许多地方，分配肥料几乎没有基础设施，使得在这些地区获得肥料昂贵。

“制作氨的下一代方法的理想特征将是它的分布式。换句话说，你可以让那氨靠近你需要的地方，“孟兰姆说。“理想情况下，它也会消除其他否则存在的CO2足迹。”

虽然Haber-Bosch工艺使用极端的热量和压力来强制氮气和氢气来反应，但麻省理工学院团队决定尝试使用电力来实现相同的效果。以前的研究表明，施加电压可以改变反应的平衡，使得它有利于氨的形成。然而，研究人员说，这一直很难以廉价和可持续的方式这样做。

以前在正常温度和压力下进行该反应的最先前努力使用锂催化剂破坏氮气分子中发现的强三键。然后，所得产物氮化物，然后可以与来自有机溶剂的氢原子反应以产生氨。然而，通常使用的溶剂，四氢呋喃或THF是昂贵的并且被反应消耗，因此需要不断更换。

麻省理工学院的团队提出了一种使用氢气而不是THF作为氢原子来源的方法。它们设计了一种类似网状电极，允许氮气通过它扩散并与氢气相互作用，氢气在电极表面处溶解在乙醇中。

这种不锈钢，网状结构涂有锂催化剂，通过从溶液中镀出锂离子而产生。氮气在整个网眼中扩散，通过锂介导的一系列反应步骤转化为氨。该设置允许氢和氮以以相对高的速率反应，尽管它们通常不易溶于任何液体，这使得它们以高速率反应更具挑战性。

“这种不锈钢布是一种非常有效地使氮气与催化剂接触的方式，同时也具有所需的电气和离子连接，”Lazouski说。

在其大部分产生氨的实验中，研究人员使用了从气缸流入的氮气和氢气。然而，它们还表明，通过首先电解水然后将氢气流入其电化学反应器，它们可以使用水作为氢气来源。

Lazouski说，整体系统足以坐在实验室台上，但可以通过将许多模块连接在一起来扩大以产生更大的氨。另一个关键挑战将是提高反应的能源效率，现在只有约2％，而生刺博世反应的50％至80％。

“我们有一个整体反应，终于看起来有利，这是一大步的前进，”他说。“但我们知道需要解决的能量损失问题。这将是我们希望在未来的工作中解决的主要事情之一。“

Manthiram说，除了用于小批量肥料的生产方法外，这种方法还可以为能量储存而宽容。这个想法现在正在被一些科学家追求，要求使用风或太阳能产生的电力来发电氨。然后氨可以用作液体燃料，该燃料将相对容易地存储和运输。

“氨是这种临界分子，可以佩戴许多不同的帽子，并且这种相同的氨生产方法可以在非常佩戴的应用中使用，”棉兰兰说。

该研究由国家科学基金会和麻省理工学院能源倡议种子基金资助。中国ABDUL LATIF Jameel水和食品系统实验室（J-WAFS）支持本工作的基础。