日本科学家开发一种新型催化剂有助推动环境可持续发展

东京理工大学的科学家们利用常见的脱水剂氢化钙添加氟化物,开发出了一种改进的催化剂。该新型催化剂只需使用现有技术所需能量的一半就可以在50℃的温度下合成氨。这一制氨新方法为低能耗和减少温室气体排放打开了大门。

氨是制造植物肥料的关键原料,而植物肥料又供养着世界上约70%的人口。在工业上,合成氨的生产是通过哈伯-博施工艺,是一种化学方法,是由大气中氮制氨的化学方法。这种工艺的问题是,随着温度的升高,收率会降低。为了继续获得良好的收率,需要增加反应室中施加的压力。这需要大量的能量。此外,用于该反应的铁基催化剂在350℃以上才有效。维持如此高的温度也需要大量的能量。更重要的是,收益率只有30-40%。

日本科学家开发一种新型催化剂有助推动可持续发展

目前,化石燃料被用来为该过程提供动力,向大气中排放大量的二氧化碳。可再生资源的替代品,如风能等,已经得到了应用,但这些都没有被证明是可持续的。因此,要想提高产量,同时减少对环境的危害,反应必须在低温下进行。要做到这一点,需要有能够在低温下进行反应的催化剂。

到目前为止,这种催化剂研制一直困扰着科学家们。传统的催化剂在100-200℃时失去了从N2和H2气体中生成氨的催化活性,科学家正在进行的这项研究成果即使在高温下也表现出很高的催化性能,这似乎终于解决了催化剂的问题。由Michikazu Hara博士领导的科学家们开发出这种催化剂,即使在50°C的温度下也能有效。这一催化剂能在50℃下从N2和H2气体中产生氨,活化能极小,只有20 kJmol-1,不到传统催化剂的一半。

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这种催化剂包含一种CaFH的固溶体,其表面沉积有钌(Ru)纳米颗粒。在常见的脱水剂氢化钙(CaH2)中加入氟化物(F-),使该催化剂在较低的温度和压力下有效。在进行光谱分析和计算分析后,科学家们提出了催化剂促进氨生产的可能机制。

氟化钙(Ca-F)键比钙-氢(Ca-H)键更强。因此,Ca-F键的存在削弱了Ca-H键,Ru能够从催化剂晶体中提取出H原子,并在其位置上留下电子。然后,H原子以H2气体的形式从Ru纳米颗粒中析出。这种情况即使在50℃时也会发生。晶体中被捕获的电子和F-离子之间产生的电荷斥力降低了这些电子释放的能量壁垒,从而使材料具有很高的电子供给能力。这些释放的电子会攻击N2气体中氮原子之间的键,从而促进了氨的生产。

这种新的制氨方法减少了能源需求,从而减少了大量使用化石燃料所产生的二氧化碳排放。这项研究的发现阐明了环境可持续发展的Haber-Bosch工艺的可能性,为农业食品生产的下一次革命打开了大门。

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