麻省理工学院的安妮·特拉顿 描述电化学哈伯-博世反应器与水电解器耦合模型的照片，突出显示反应器
学分:麻省理工学院 世界上大部分肥料是在大型制造工厂生产的，这些工厂需要大量的能量来产生高温和高压，将氮和氢结合成氨
麻省理工学院的化学工程师正致力于开发一种更小规模的替代产品，他们设想这种产品可以用于为撒哈拉以南非洲等偏远农村地区的农民生产肥料
由于从大型生产设施运输化肥的成本，在这些地区很难获得化肥
朝着这种小规模生产迈出了一步，研究小组设计了一种利用电流将氢气和氮气结合起来生成锂催化剂的方法，反应在锂催化剂中进行
“在未来，如果我们设想有一天如何使用它，我们想要一种可以吸入空气、吸收水分、连接太阳能电池板并能产生氨的装置
该研究的资深作者、麻省理工学院化学工程助理教授卡提什·曼希拉姆说:“这可以被一个农民或一个小的农民社区使用。”
研究生尼基法尔·拉祖斯基是这篇论文的主要作者，这篇论文今天发表在《自然催化》杂志上
其他作者包括研究生钟敏珠和金读威廉姆斯，以及本科生迈克尔加拉
较小规模 100多年来，化肥一直是用哈伯-博世工艺制造的，该工艺将大气中的氮气与氢气结合形成氨
用于该过程的氢气通常从来自天然气或其他化石燃料的甲烷中获得
氮气非常不活泼，因此需要高温(500摄氏度)和高压(200个大气压)才能使其与氢气反应生成氨
使用这种工艺，制造厂每天可以生产数千吨氨，但是它们运行成本高，并且会排放大量的二氧化碳
在大量生产的所有化学品中，氨是温室气体排放的最大来源
麻省理工学院的团队着手开发一种替代制造方法，这种方法可以减少这些排放，并带来分散生产的额外好处
在世界上的许多地方，几乎没有用于分配肥料的基础设施，使得在这些地区获得肥料的成本很高
“下一代制造氨的方法的理想特征是它是分布式的
换句话说，你可以让氨接近你需要的地方，”曼希拉姆说
“理想情况下，它还能消除原本存在的二氧化碳足迹
" 当哈伯-博施过程利用极高的热和压力迫使氮和氢发生反应时，麻省理工学院团队决定尝试用电来达到同样的效果
先前的研究表明，施加电压可以改变反应的平衡，从而有利于氨的形成
然而，研究人员说，很难以一种廉价和可持续的方式做到这一点
以前大多数在常温常压下进行这种反应的努力都是使用锂催化剂来破坏氮气分子中的强三键
所得产物氮化锂可以与有机溶剂中的氢原子反应生成氨
然而，通常使用的溶剂四氢呋喃或THF是昂贵的，并且被反应消耗掉，因此需要不断更换
麻省理工学院的团队想出了一个用氢气代替THF作为氢原子来源的方法
他们设计了一个网状电极，允许氮气通过它扩散，并在电极表面与溶解在乙醇中的氢气相互作用
这种不锈钢网状结构涂有锂催化剂，通过从溶液中镀出锂离子而制成
氮气扩散到整个网格，并通过一系列由锂介导的反应步骤转化为氨
这种设置允许氢和氮以相对高的速率反应，尽管事实上它们通常不太溶于任何液体，这使得它们以高速率反应更具挑战性
“这种不锈钢布是一种非常有效地将氮气与我们的催化剂接触的方式，同时还具有所需的电和离子连接，”拉祖斯基说
分水 在大多数产氨实验中，研究人员使用从气瓶中流入的氮气和氢气
然而，他们也表明他们可以用水作为氢的来源，首先电解水，然后将氢流入电化学反应器
拉祖斯基说，整个系统小到可以放在实验室的台式电脑上，但通过将许多模块连接在一起，它可以放大到产生更多的氨
另一个关键的挑战是提高反应的能量效率，现在只有2%左右，而哈伯-博施反应的能量效率为50-80%
“我们的总体反应最终看起来是有利的，这是向前迈出的一大步，”他表示
“但是我们知道仍然有一个能量损失的问题需要解决
这将是我们在未来工作中要解决的主要问题之一
" 曼希拉姆说，除了作为小批量肥料的生产方法，这种方法还可以用于储能
这一想法，现在正被一些科学家追求，呼吁利用风能或太阳能产生的电力为氨生产提供动力
氨可以作为液体燃料，相对容易储存和运输
曼希拉姆说:“氨是一种非常重要的分子，可以戴很多不同的帽子，这种生产氨的方法可以用于非常多样的应用。”
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