技术可以使化肥生产更便宜

时间:2020-05-09 18:02 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

技术可以使化肥生产更便宜

世界上大部分的化肥都是在大型工厂生产的,这些工厂需要大量的能源来产生高温和高压来将氮和氢化合成氨。

麻省理工学院的化学工程师们正致力于开发一种规模较小的替代肥料,他们设想这种肥料可以用于为撒哈拉以南非洲等偏远农村地区的农民在当地生产化肥。在这些地区,肥料往往很难获得,因为从大型生产设施运输肥料的成本很高。

在向这种小规模生产迈进的过程中,研究小组设计出一种方法,利用电流将氢和氮结合起来,产生锂催化剂,在那里发生反应。

“在未来,如果我们设想将来如何使用它,我们想要一种能呼吸空气、吸收水、连接太阳能电池板并能产生氨的设备。麻省理工学院化学工程助理教授、该研究的资深作者Karthish Manthiram说。

研究生Nikifar Lazouski是这篇论文的主要作者,这篇论文发表在今天的《自然催化》杂志上。其他作者包括研究生Minju Chung和Kindle Williams,以及本科生Michal Gala。

规模较小

100多年来,人们一直使用Haber-Bosch工艺生产化肥,该工艺将大气中的氮气和氢气合成氨。用于这一过程的氢气通常是从天然气或其他化石燃料中提取的甲烷。氮是非常不活泼的,所以需要高温(500摄氏度)和压力(200个大气压)才能使它与氢反应生成氨。

使用这种方法,制造工厂每天可以生产成千上万吨的氨,但是它们的运行成本很高,而且会排放大量的二氧化碳。在所有大量生产的化学品中,氨是温室气体排放的最大贡献者。

麻省理工学院的研究小组着手开发一种可替代的制造方法,这种方法可以减少这些排放,并带来分散生产的额外好处。在世界上的许多地方,几乎没有分配肥料的基础设施,这使得这些地区获得肥料的成本很高。

“新一代合成氨方法的理想特征是它是分布式的。换句话说,你可以让氨接近你需要的地方,”Manthiram说。“理想情况下,它还能消除原本存在的二氧化碳足迹。”

当Haber-Bosch过程使用极端的热量和压力来迫使氮和氢发生反应时,麻省理工学院的团队决定尝试用电来达到同样的效果。以往的研究表明,施加电压可以改变反应的平衡,有利于氨的形成。然而,研究人员说,以一种廉价和可持续的方式做到这一点是很困难的。

以前在常温常压下进行这种反应的大多数尝试都使用了锂催化剂来打破氮气分子中存在的强三键。由此产生的产品氮化锂可以与有机溶剂中的氢原子发生反应生成氨。然而,通常使用的溶剂,四氢呋喃,或THF,是昂贵的,并被反应消耗,所以它需要不断地更换。

麻省理工学院的研究小组提出了一种利用氢气代替THF作为氢原子来源的方法。他们设计了一种网状电极,允许氮气通过电极扩散,并在电极表面与溶解在乙醇中的氢气相互作用。

这种不锈钢网结构是由锂催化剂涂覆而成,由镀出锂离子的溶液制成。氮气在网格中扩散,通过锂介导的一系列反应步骤转化为氨。这种结构使得氢和氮的反应速率相对较高,尽管它们通常不溶于任何液体,这使得它们的反应速率更高。

拉扎斯基说:“这种不锈钢布是一种非常有效地将氮气与催化剂接触的方法,同时还具有所需的电连接和离子连接。”

分裂水

在大多数的氨气生成实验中,研究人员使用了从气瓶中流入的氮气和氢气。然而,他们也证明了他们可以利用水作为氢的来源,首先电解水,然后将氢流动到他们的电化学反应器中。

拉扎斯基说,整个系统足够小,可以放在实验室的工作台面上,但它可以通过将多个模块连接在一起来生产更多的氨。另一个关键的挑战是提高反应的能源效率,目前只有2%,相比之下,Haber-Bosch反应的能源效率是50%到80%。

他表示:“我们的总体反应最终看起来是有利的,这是向前迈出的一大步。”“但是我们知道仍然有一个能量损耗的问题需要解决。这将是我们未来工作中要解决的主要问题之一。”

Manthiram说,除了作为小批量肥料的生产方法,这种方法也可以用于能源储存。这一想法现在正被一些科学家所追求,他们呼吁利用风能或太阳能产生的电力来为氨发电提供动力。氨可以作为液体燃料,相对容易储存和运输。

曼瑟勒姆说:“氨是一种非常重要的分子,它可以扮演多种不同的角色,而同样的氨生产方法也可以用于多种不同的应用。”

这篇文章由麻省理工学院新闻(web.mit.edu/newsoffice/)转载,这是一个涵盖麻省理工学院研究、创新和教学新闻的热门网站。

当前位置:主页 > 化学知识 >

声明:本文杏鑫娱乐整理不代表个人观点,转载请注明原文,点击还能查看更多的文章;本文网址: http://www.kozbods.com/huaxue/1500.html

围观: 次 | 责任编辑:杏鑫

延伸阅读

SEO关键字



回到顶部