一種更清潔的氨生產方法

氨是過去一個世紀以來確保世界糧食供應的肥料的起始點。它也是清潔產品的主要成分，甚至被認為是車輛中未來無碳替代化石燃料的方案。但是，由於標準反應是在高溫高壓下進行的，因此從分子氮合成氨是一種高能耗的工業過程。美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 的科學家們現在有了一種在室溫和壓力下生產氨的新方法。

自 1909 年以來，工業界合成氨的標準方法一直是使用金屬基催化劑通過與氫氣反應來轉化分子氮（二氮，N2），稱為哈伯-博施法。伯克利實驗室的高級科學家兼化學科學部主任 Polly Arnold 發現，相反，由豐富的所謂稀土金屬製成的催化劑可以在室溫下促進這種反應。

「沒有人預料到稀土金屬會進行這種反應。它們擴大了我們在常溫條件下催化劑的潛力。」Arnold 說，她也是加州大學伯克利分校的化學教授。

稀土金屬是銀白色、柔軟、重的元素，組成元素週期表底部那一組的所有非放射性金屬，並且由於在電子產品、雷射器和磁性材料中的應用而引起了廣泛關注。「儘管它們的名字如此，稀土金屬實際上並非稀有。」Arnold 在加州大學伯克利分校的小組的博士後研究員、伯克利實驗室化學科學部的成員以及描述該項目的《化學催化》論文的第一作者 Anthony Wong 說。「有些稀土金屬幾乎與銅一樣常見，而且它們的鹽類毒性低於已經用於催化的金屬。」他補充道。

從基礎角度來看，稀土金屬令人興奮的地方在於，它們擁有一組其過渡金屬同類物質不具備的額外電子。這賦予了它們有趣的光磁特性——但化學家並不完全了解這些電子是否以及如何應用於反應中。檢查涉及稀土金屬的反應是了解它們的電子結構以及它們的結構如何應用於新的反應性的有效工具。

自 20 世紀 90 年代以來，已知稀土元素可以結合分子氮。然而，直到現在，研究人員還無法利用它們從 N2 催化產生像氨或胺這樣的氮官能化化學品。Wong、Arnold 和他們的同事設計的化合物將兩種稀土金屬與基於一種在食品中廣泛使用的簡單抗氧化劑的酚鹽製成的簡單連結結合在一起。由此產生的結構形成了矩形空腔。擴散到空腔中的分子氮與兩端的金屬形成了鍵，從而活化了氣體。然後，從鉀源引入空腔中的電子攻擊活化的氮，使其鍵斷裂。在其所有標準形式中，轉化的氮與氫原子或其他反應物形成三個共價鍵，從而產生對稱的氨或胺。

「我們的催化劑可以激活並固定二氮分子，同時不同的試劑會進入反應，形成不同的產品。」阿諾德表示。接下來，她打算使用電極作為電子來源，而非鉀試劑，因為如果電極來源於太陽能電池，則可以再生。

科學家們接下來將探討如何利用稀土元素合成額外的含氮產品，這個過程中將調整信箱形狀的空腔的形狀和大小。黃表示，「我們的下一步是探索並了解哪些稀土金屬的特性影響化學反應。」

這一新的過程不會取代廣泛應用的哈柏-博施過程。自2020年以來，全球氨的生產量每年約為2億公噸，而現有工具在大規模生產中已經過優化，且極為高效。但是，這個過程消耗了全球約2%的能源，並在氨的可用性上造成了地理不平等。「這不是食品公正，」阿諾德說。黃補充道，「我們需要更好的氨生產方式，這種方式應該能降低能耗，並能在常態溫度和壓力下進行，以助於食品和能源安全。」他們的專利技術能將肥料和特定化學氮產品帶到沒有管線的地區，而且成本將大幅降低。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。