有效利用波动和局部可再生能源所需的小规模和分布式NH3合成工艺的示意图。来源:广岛大学Hiroki Miyaoka日本科学家在广岛大学的研究揭示了一种在环境压力下从其组成分子氮和氢中制造氨的方法。这项发表在2月2日《物理化学杂志C》上的新研究展示了一个有潜力用于可再生能源储存和转移的过程，该过程依赖于分散和波动的资源网络，如太阳能和风能。“这项工作的最终目标是建立小规模的NH3生产过程，以有效利用可再生能源，”该研究的作者、广岛大学基础研究和发展自然科学中心的Hiroki Miyaoka副教授说。
氨(NH3)最近被认为是一种优秀的能量载体分子。1918年，德国化学家弗里茨·哈伯因从元素中合成氨而获得诺贝尔奖，为氨在工业肥料中的重要作用铺平了道路。然而，氨在可再生能源应用中的使用受到可用于合成它的方法的限制。用于氨工业生产的Haber-Bosch工艺需要高温和高压，这些条件在可再生能源储存和运输基础设施中通常是不具备的。
通过使用氢化锂(LiH)的化学循环的NH3合成过程开始于在环境压力和高达500°C的温度下将LiH与N2(分子氮)结合，产生锂酰亚胺产物(LiNH2)。锂酰亚胺然后与氢气(H2)反应生成氨。在这个过程中，由氨的组成分子合成氨的反应时间超过1000分钟。它的速度受到反应产物聚集成大颗粒(大于200微米)的限制，这些大颗粒没有太多暴露于氢气的表面积。对于其在分布式可再生能源中的实际应用，这种需要极端条件的延长反应是氨生产的障碍。
在这项新的研究中，研究人员尝试使用氧化锂(Li2O)作为分子支架，在环境压力和低于400°C的温度下合成氨，这种条件在非工业环境中很容易模拟。他们将反应物氢化锂和氧化锂结合起来，发现氢化锂可以防止结块，留下更小的颗粒(小于50微米),具有更多暴露在化学反应中的表面积。使用这些未结块的反应物，并添加在氨合成的最后步骤中使用的气态氢，他们能够更快地生产氨；反应速度大大加快。
如果在适度的温度和压力条件下，可以用相对简单的设备快速生产氨，这就为小规模的氨生产铺平了道路。
“化学循环过程有助于建立小规模的NH3合成过程，该过程可以在较低的压力和温度下操作，比传统的催化过程具有更高的转化率，”Miyaoka说。该新方法还消除了对工业合成氨中使用的昂贵金属催化剂如元素钌(Ru)的需求。
这项研究的结果与可再生能源发电有关，可再生能源发电往往比工业生产更分散。广岛实验室首创的在近环境条件下高效生产氨的工艺是这种应用的基础。
“作为下一步，应该从化学工程的角度考虑有效控制上述NH3合成的实际反应过程，”宫冈说。
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