生产足够的氨来维持全球粮食生产会产生大量的碳足迹；由布法罗大学领导的一项新研究概述了一种有助于解决这一问题的工艺。这种突破性的工业反应将氢气和氮气结合生成氨气，是为全球大部分人口提供食物的合成肥料的基础。 它在促进上世纪人口激增方面发挥了关键作用。
克里斯-李（Chris Li）团队开发的等离子体电化学反应器可将空气中的氮转化为氨，且不产生碳足迹。 图片来源：Douglas Levere/布法罗大学
然而，这一过程也对子孙后代构成了重大威胁。 它约占全球能源消耗的 2%，而它所需的氢主要来自化石燃料。
布法罗大学（University at Buffalo）领导的研究小组受到大自然自身生产氨的方法（如通过闪电）的启发，开发出了一种革命性的反应器。 该装置可直接利用空气和水中的氮气生产氨气，而且零碳排放。
《美国化学学会学报》上发表的一项研究详细介绍了这种等离子体电化学反应器，它可在室温下运行，每天可持续生产约 1 克氨，持续时间超过 1000 小时，而且无需依赖化石燃料。
研究人员说，这是在具有工业竞争力的生产率和反应稳定性的绿色氨合成方面取得的重大进展。
"氨通常被认为是养活世界的化学物质，但我们也必须认识到，哈伯-博什工艺自 100 年前发明以来一直没有现代化。 它仍然使用高温高压处理，并产生大量碳足迹，从长远来看是不可持续的，"该研究的通讯作者、UB 艺术与科学学院化学系助理教授 Chris Li 博士说。"我们的工艺只需要空气和水，而且可以用可再生电力驱动。"
大自然有自己生产肥料的方式。在固氮作用中，雷击的电能击碎大气中的氮分子，形成不同的氧化氮物种。 氮氧化物随雨水落下后，被土壤中的细菌转化为氨，为植物提供养分。
在该大学团队领导的两步反应器中，闪电的作用被等离子体取代，细菌的作用被铜钯催化剂取代。
李说："我们的等离子反应器将加湿空气转化为氧化氮碎片，然后将其放入电化学反应器中，利用铜钯催化剂将其转化为氨。"
最重要的是，催化剂能够吸附并稳定等离子体反应器产生的大量二氧化氮中间产物。 研究小组的图论算法发现，大多数氮氧化物化合物在变成氨之前都必须经过一氧化氮或胺作为中间步骤。 这样，研究小组就能巧妙地设计出一种催化剂，与这两种化合物结合。
"当等离子体能量或雷击激活氮气时，就会产生氮氧化合物汤。 在我们的研究中，要同时将多达八种不同的化合物转化为氨气，难度可想而知，"该研究的第一作者、李博士实验室的博士后研究员葛晓丽说。"图论本质上允许我们绘制出所有不同的反应路径，然后找出瓶颈化学品。 然后，我们对电化学反应器进行优化，以稳定瓶颈化学品，从而将所有不同的中间产物选择性地转化为氨。"
李的团队目前正在扩大其反应器的规模，并正在探索初创企业和与工业界的合作，以帮助其商业化。 哥伦比亚大学的技术转让办公室已就该反应器及其使用方法提交了专利申请。
全球一半以上的氨气是由中国、美国、俄罗斯和印度这四个国家生产的，而许多发展中国家却无法生产自己的氨气。 哈伯-博什工艺必须在中央发电厂大规模进行，而李说，他们的系统可以在小得多的规模上进行。
他说："你可以想象我们的反应器装在一个中型集装箱里，屋顶装有太阳能电池板。 这可以放置在世界任何地方，并根据该地区的需求生产氨，"这是我们的系统一个非常令人兴奋的优势，它将使我们能够为不发达地区生产氨，而这些地区使用哈伯-博什工艺的机会有限。"
编译自/scitechdaily