在我們每天使用的眾多化學物質中，氨是對大氣影響最嚴重的化學物質之一。由於生產氨需要高溫和高能耗，這種用於化學肥料、染料、炸藥和許多其他產品的氮基化學品的碳排放量僅次於水泥。但是，透過改進電化學反應協調鋰、氮和氫原子的”交響樂”，由Meenesh Singh 領導的伊利諾伊大學芝加哥分校的工程師們開發出了一種新的氨生產工藝，該工藝可實現多項綠色目標。

這幅圖畫展示了以鋰為媒介將N2轉化為氨的過程。圖中是在電沉積鋰（黑色磁磚）上發生的一系列反應。在高壓下，氮氣（添加藍色塊）在鋰上發生化學吸附，隨後質子化（添加白色塊）形成NHx，最終生成氨氣並回收鋰。這個循環過程形成了產生氨的催化節奏。這項研究強調了壓力和電位在控制固體電解質界面的結構和穩定性以實現氨合成的重要性。資料來源：Crystal Price 和Joseph Gauthier，德州理工大學；Meenesh Singh，伊利諾大學芝加哥分校

這個過程被稱為鋰介導的氨合成，它將氮氣和乙醇等供氫流體與帶電的鋰電極結合在一起。氮原子不會在高溫高壓下分解氮氣分子，而是黏附在鋰上，然後與氫結合生成氨分子。

此反應可在低溫下進行，且具有再生性，每生產一輪氨，就能恢復原有的材料。

“有兩個循環會發生。一個是氫源的再生，第二個是鋰的再生，”UIC 化學工程副教授辛格說。 “由於循環過程的存在，這一反應充滿了交響樂。我們所做的就是以一種更好的方式來理解這種交響樂，並嘗試以一種非常有效的方式來調節它，這樣我們就能產生共振，使其更快地進行。”

辛格實驗室在《ACS 應用材料與介面》（ ACS Applied Materials & Interfaces）雜誌封面上發表的一篇論文介紹了這項工藝，這是辛格實驗室在尋求更乾淨的氨方面的最新創新。在此之前，他的研究小組開發了利用陽光和廢水合成這種化學物質的方法，並製造了一種電氣化銅網篩，減少了製造氨氣所需的能量。

他們的最新研究成果建立在一種並不新奇的反應之上。科學家們對它的了解已有近一個世紀。

“基於鋰的方法實際上可以在任何有機化學教科書中找到。這是眾所周知的。」辛格說。 “但是，讓這種循環有效率、有選擇性地運行，從而達到經濟上可行的目標，這是我們的貢獻”。

這些目標包括高能源效率和低成本。辛格表示，如果規模擴大，該製程生產氨的成本約為每噸450 美元，比以前的鋰基方法和其他建議的綠色方法便宜60%。但是，選擇性也很重要，因為許多使氨生產更清潔的嘗試最終都產生了大量無用的氫氣。

辛格小組的研究成果是首批在選擇性和能源使用方面達到能源部氨工業化生產標準的成果之一。辛格也表示，該製程可在模組化反應器中進行，透過太陽能板或其他再生能源供電，並以空氣和水為反應提供原料，可使該製程更加綠色環保。

該製程還有助於實現另一個能源目標–將氫用作燃料。要實現這一目標一直受制於運輸高可燃性液體的困難。

“產生氫氣、運輸氫氣並將氫氣輸送到氫氣泵站，然後將氫氣輸送到汽車，這非常危險，」辛格說。 “氨可以作為氫的載體。它的運輸成本很低，而且很安全，在目的地可以把氨轉化回氫。”

目前，科學家正與通用氨公司（General Ammonia Co.UIC）的技術管理辦公室已為該工藝申請了專利。

編譯自: ScitechDaily