伯克利实验室开发更清洁的氨生产方法 或为汽车化石燃料提供无碳替代品

盖世汽车讯 氨是化肥原料，也是清洁产品的主要成分，甚至被视为未来汽车化石燃料的无碳替代品。但是，由于标准反应是在高温和高压下进行，利用分子态氮来合成氨是能源密集型工业过程。据外媒报道，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员发现了一种可以在室温和常压下生产氨的新方法。

（图片来源：伯克利国家实验室）

自1909年以来，合成氨行业通常使用金属基催化剂，通过与氢气的反应来转化分子态氮（双氮，N2），即哈伯-博施工艺（Haber-Bosch）。伯克利实验室化学科学部负责人Polly Arnold发现，在室温下由稀土金属制成的催化剂可以促进这一反应。Arnold表示：“没人预料到稀土金属会发生这种反应。它们扩大了我们潜在的环境条件催化剂库。”

稀土金属在电子、激光和磁性材料等应用领域备受关注。这项工作的主要论文作者Anthony Wong表示：“实际上稀土金属并不稀有。有些稀土金属几乎和铜一样常见，而且它们的盐比已用于催化过程的金属毒性小。”

自上世纪90年代以来，人们就知道稀土能与分子态氮结合。然而，到目前为止，研究人员还无法通过它们利用N2催化生成氮功能化化学品，如氨或胺。Wong、Arnold和他们的同事设计出化合物，通过由苯酚盐（基于一种广泛用于食品的简单抗氧化剂）制成的简单键合（linkages）将两种稀土金属连接在一起。

由此形成的结构形成了一个矩形的空腔。扩散到腔内的氮分子与两端的金属形成键，从而激活气体。然后，从钾源引入的电子攻击活性氮，破坏其化学键。在所有标准形式中，转化后的氮与氢原子（或其他反应物）形成三个共价键，从而产生对称的氨或胺。Arnold表示：“这种催化剂可以激活并保持二氮，同时不同的试剂进入并反应形成不同的产物。”她下一步打算用电极代替钾试剂作为电子来源，如果它们来自太阳能电池等，就具有可再生性。

研究人员接下来将探索如何调整信箱式空腔（letterbox-shaped cavity）的形状和大小，以使用稀土合成额外的含氮产品。Wong表示：“下一步我们会探索和了解哪些稀土金属性质会影响化学反应。”

新工艺不会取代广泛应用的工业哈伯-博施工艺。自2020年以来，全球氨产量一直徘徊在每年2亿吨左右，现有工具经过优化，大规模生产效率极高。但这消耗了全球约2%的能源，并且各地的氨可获得性不等。Wong表示：“我们需要更好的方法来生产氨。这些方法需要能源密集度更低，而且可以在常温常压下进行，以促进实现粮食和能源安全。”这种专利技术有助于将化肥和化学专用氮产品运送到没有管道的地区，而且成本要低得多。