改变肥料生产:氨催化的真实机理揭晓

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斯德哥尔摩大学的研究人员在研究氨生产中的催化剂表面方面取得了突破,克服了Haber-Bosch工艺中先前的挑战。在新型光电子能谱仪器的推动下,这一进步有望为更环保的化学工业提供更高效的催化剂材料,并减少对化石燃料的依赖。上图说明了催化表面反应如何为农业提供基础。图片来源:David Degerman,斯德哥尔摩大学物理系博士后

斯德哥尔摩大学的科学家首次研究了铁和钌催化剂在氮气和氢气形成氨过程中的表面。他们的研究结果为催化过程和发现更有效材料的潜力提供了更深入的见解,已发表在《自然》杂志上。这项研究为化学工业的更环保转变铺平了道路,目前化学工业的二氧化碳排放量很高。

采用哈伯-博世工艺生产的氨是目前世界上生产化肥最重要的基础化学品之一,年产量为1.1亿吨。《自然》杂志在2001年提出,哈伯-博世工艺是20世纪人类最重要的科学发明,因为它通过防止大规模饥饿挽救了大约40亿人的生命。对我们人体DNA和蛋白质中氮含量的估计表明,一半的原子可以来自Haber-Bosch。

研究哈伯-博世工艺的挑战

“尽管哈伯-博世工艺获得了 3 项诺贝尔奖(1918 年、1931 年和 2007 年),但在实际氨生产条件下,无法用表面敏感方法对催化剂表面进行实验研究;在足够高的压力和温度下具有表面灵敏度的实验技术尚未实现。因此,关于铁催化剂状态是金属或氮化物的不同假设,以及对反应机理很重要的中间物质的性质,都无法得到明确的验证,“斯德哥尔摩大学化学物理学教授Anders Nilsson说。

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光电子能谱仪器是在斯德哥尔摩大学建造的,可以在高压下研究催化剂表面。图片来源:彼得·安曼

“这项研究之所以能够进行,是因为我们在斯德哥尔摩建造了一台光电子能谱仪器,可以在高压下研究催化剂表面。因此,我们已经能够观察到当反应直接发生时会发生什么,“斯德哥尔摩大学化学物理学博士后David Degerman说。“我们用我们的新仪器打开了一扇了解氨生产催化的新大门,我们现在可以检测反应中间体并为反应机理提供证据。”

斯德哥尔摩大学研究员Patrick Lömker说:“在汉堡的PETRA III上,将我们的斯德哥尔摩仪器放在世界上最亮的X射线源之一,这对进行这项研究至关重要。“我们现在可以想象,当机器升级到PETRA IV时,未来会有更多更明亮的来源。”

未来前景与环境影响

Anders Nilsson说:“我们现在拥有进行研究的工具,这些材料可以更好地用于化学工业的绿色转型,从而与电解产生的氢气结合在一起。

“对一个与科学成功故事如此相关的主题进行研究是鼓舞人心的,这个故事极大地帮助了人类。我渴望继续研究,寻找新的催化剂,减少我们对化石资源的依赖。仅化学工业就占全球二氧化碳排放量的8%,“斯德哥尔摩大学材料化学博士生Bernadette Davies说。

斯德哥尔摩大学研究员谢尔盖·科罗伊多夫(Sergey Koroidov)说:“通过直接由太阳能或风能驱动的电催化替代品进行氨生产的长期前景最具吸引力,现在我们有工具可以科学地协助这一发展。

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