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空氣和水，再平常不過(guò)。但在科學(xué)家的巧思下，它們有望成為打開(kāi)清潔能源世界的一把新鑰匙。近日，日本東京大學(xué)工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種在常溫常壓條件下，利用氮?dú)猓ǹ諝庵泻孔疃嗟臍怏w）和水合成為氨的新方法。未來(lái)，這一成果如得到廣泛運(yùn)用，不僅有助于打破制氨傳統(tǒng)工藝對(duì)高溫高壓及化石能源的依賴，也為構(gòu)建一個(gè)“氮循環(huán)社會(huì)”提供了可能。 作為一種基礎(chǔ)化工原料，氨的身影遍布現(xiàn)代工業(yè)與農(nóng)業(yè)，從化肥生產(chǎn)到藥品制造、從冷卻劑到金屬加工，均離不開(kāi)它的參與。氨不僅與氫氣一樣在燃燒過(guò)程中不產(chǎn)生二氧化碳，還在存儲(chǔ)和運(yùn)輸上具有更高的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，因此被認(rèn)為有望成為推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的重要載體。不過(guò)，目前合成氨主要仍使用20世紀(jì)初德國(guó)化學(xué)家哈伯發(fā)明的“循環(huán)法”，即通過(guò)加入催化劑使氫氣和氮?dú)庠诟邷馗邏合潞铣砂�。這一傳統(tǒng)工藝存在高能耗、高碳排放等問(wèn)題，并且高度依賴從煤和天然氣等化石資源中提取氫氣。 為應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)合成氨工藝面臨的瓶頸，東京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)此前開(kāi)發(fā)出一套熱能驅(qū)動(dòng)體系，跳過(guò)了氫氣這個(gè)“中間站”，通過(guò)選用在有機(jī)化學(xué)中常見(jiàn)的碘化釤作為還原劑，只需將氮?dú)�、水與碘化釤、鉬催化劑混合，即可在溫和條件下完成氨的合成。相比傳統(tǒng)高能耗方法，新工藝效率提高近100倍，且原料的利用率更高。不過(guò)，目前碘化釤在反應(yīng)后無(wú)法循環(huán)使用，未來(lái)研究仍需攻克這一難題。 在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)此次構(gòu)建出一套由光驅(qū)動(dòng)的新型合成氨體系。他們采用一種可高效捕獲光能的銥基化合物，利用太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光部分為反應(yīng)注入動(dòng)力。在光照驅(qū)動(dòng)下，配合鉬催化劑和提供必需電子的叔膦，最終實(shí)現(xiàn)了以氮?dú)夂退疄樵稀⒃诠庹諚l件下直接合成氨分子的突破。該研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人西林仁昭介紹，若催化劑進(jìn)一步優(yōu)化，合成效率有望提升至原來(lái)的200倍。這一過(guò)程不僅條件溫和，且不產(chǎn)生二氧化碳，進(jìn)一步拓展了綠色合成氨的技術(shù)路徑。 “我相信我們可以從自然中尋找答案�！蔽髁秩收言诮邮懿稍L時(shí)表示，他的靈感來(lái)源于自然界的“固氮奇跡”：某些植物如豆科作物，能與根瘤菌共生，通過(guò)體內(nèi)的固氮酶，將空氣中的氮轉(zhuǎn)化為可供植物吸收的氨。他們希望開(kāi)發(fā)出一種人工固氮酶，用清潔能源驅(qū)動(dòng)氨的合成。目前，該團(tuán)隊(duì)的新方法雖已在實(shí)驗(yàn)中獲得初步成功，但如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、持續(xù)穩(wěn)定的合成仍是重要挑戰(zhàn)。“我們需要進(jìn)一步提高反應(yīng)效率、優(yōu)化材料選擇，并構(gòu)建完整的系統(tǒng)集成方案�！蔽髁秩收驯硎�，團(tuán)隊(duì)正與相關(guān)企業(yè)合作以推動(dòng)實(shí)際應(yīng)用。 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員郭建平介紹，直接用太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)氮?dú)夂退铣砂保强茖W(xué)家長(zhǎng)久以來(lái)的夢(mèng)想。在全球范圍內(nèi)，圍繞氨合成的技術(shù)也在加速演進(jìn)，不論是熱催化、仿生催化、光催化還是電催化，都在試圖突破“綠色固氮”的關(guān)鍵瓶頸。日本團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究成果通過(guò)組合光能轉(zhuǎn)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了溫和條件下利用光能合成氨，具有一定的突破意義。但是，目前這個(gè)“陽(yáng)光轉(zhuǎn)化器”的效率還比較低，核心材料成本也偏高，系統(tǒng)的耐用性和循環(huán)使用能力還需要科學(xué)家們繼續(xù)攻關(guān)。 在郭建平看來(lái)，在21世紀(jì)的清潔能源布局中，氫能被廣泛視為理想的二次能源載體，但目前還存在氫氣儲(chǔ)運(yùn)難、成本高等難題。相比之下，氨在常溫下只需輕度冷卻和加壓即可液化，更適合船運(yùn)與長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存。通過(guò)氨的熱解，還可以在終端重新釋放出氫氣，實(shí)現(xiàn)“氫的搬運(yùn)”。這使得氨不僅是能源載體，還是氫能的重要中轉(zhuǎn)站，為未來(lái)氫能的廣泛運(yùn)用提供了更便捷的路徑。當(dāng)空氣和水成為新的“原材料”，當(dāng)陽(yáng)光照射就能驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，也許下一個(gè)能源時(shí)代正悄然降臨。 |
