麻省理工學院化學工程師開發便宜的肥料生產技術
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文章來源 : 農業科技決策資訊平台 2020-08-25
世界上多數肥料由大型製造廠生產而來，該製造廠需要大量的能量來產生高壓與高溫才能將氮和氫結合成氨。然而，從大型肥料生產的肥料運輸至偏遠農村地區的成本高昂，因此在這些地區通常很難獲得肥料，因此，麻省理工學院的化學工程師正開發出一種較小規模的替代方案，他們設想其可為偏遠農村地區的農民直接在當地生產肥料，如撒哈拉以南的非洲等。研究團隊開發出利用電流將氫和氮結合起來，並在鋰催化劑上進行反應，Karthish Manthiram助理教授期望在未來開發出一種能夠吸收空氣與水，並以太陽能板連接使其可以產生氨的設備，從而提供農民或小社區的農民使用，該項研究發表於「Nature Catalysis」期刊上。
小規模應用
100多年來，肥料多以哈布二氏法（Haber-Bosch）的工藝製成，此工藝將大氣中的氮氣與氫氣結合形成氨。其中，氫氣主要來自天然氣或化石燃料中所提取的甲烷，此外，氮的活性很低，所以需要高溫（攝氏500度）和高壓（200個大氣壓）才可和氫反應形成氨。大型製造廠利用這種方法每天可生產數千噸的氨，但是整體成本高且會排放大量的二氧化碳，其中氨是大量生產化學品中排放溫室氣體最大的來源，研究團隊也因如此欲著手開發出減少碳排放的新型生產方法，其同時具有分散生產的額外好處。
Manthiram表示理想情況下，新一代的製氨方法可以消除原本存在的二氧化碳足跡，且期望使用電來達到和傳統上以高溫高壓促使氮和氫進行反應的效果。先前研究表明施加電壓可以改變反應平衡以利形成氨，以往在常溫常壓下利用鋰催化劑打斷氮氣分子中的強三鍵並生成氮化鋰，接著再和有機溶劑中的氫原子反應生成氨，然而，這些有機溶劑價格昂貴且反應過程中會被消耗，因此需要不斷的更換，如四氫呋喃（THF），因此一直難以找到廉價且可持續製氨的方法。【延伸閱讀】使用更少的能量合成氨來持續為世界提供燃料
根據這項問題，研究團隊提出使用氫氣作為替代THF氫原子來源的方法，他們設計出一種網狀電極，這種不鏽鋼網狀構造表面塗有鋰催化劑，該鋰催化劑是藉由從溶液中鍍出鋰離子而製得的，其可使氮氣可以擴散且通過這個電極，並在其表面和溶解於乙醇中的氫交互作用，並透過鋰催化劑進行一系列反應步驟以轉換為氨。Nikifar Lazouski表示因為氮氣和氫氣難溶於任何液體之中，使得兩者不易快速反應，而這種不銹鋼網格可有效地將氮氣與催化劑接觸，同時將電子與離子結合以解決這種難題。
光解水製氫
多數製氨實驗以氣體鋼瓶將氮氣與氫氣流入設備進行反應，而MIT研究團隊則是先電解水，再將氫流入電化學反應器中，即表示將水作為氫的來源。由於整體操作系統夠小，使其可放置於實驗室操作台上，也可以透過連結多個模組來擴大規模以生產更多的氨。此外，另一關鍵的挑戰是提高反應的能量效率，其與哈布二氏法的反應效率(50%-80%)相比僅約2%，研究人員仍需著手解決能量耗損的問題，儘管如此，這仍是向前邁出的一大步，因此總體反應最終看起來是令人滿意的。
此外，Manthiram表示氨是一種非常重要的分子，它可以利用相同的生產方法來達到廣泛的應用，如除了可用作小批量肥料生產外，還能應用於能量的儲存，它要求使用風能或太陽能產生的電力來製成氨，之後氨可用作液體燃料，便於存儲與運輸。
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