<p>氨的工業(yè)生產(chǎn)，主要用于合成肥料&mdash;&mdash;上世紀綠色革命的燃料&mdash;&mdash;是世界上最大的化學(xué)品市場之一，但也是能源最密集的市場之一。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在全球范圍內(nèi)，Haber-Bosch制氨工藝使用了約1%的化石燃料，產(chǎn)生了1%的二氧化碳排放，是氣候變化的主要貢獻者。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在，加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家們朝著使氨生產(chǎn)更環(huán)保的方向邁出了一大步:用&ldquo;更綠色&rdquo;的氨來制造&ldquo;更綠色&rdquo;的肥料。</p> <p>&nbsp;</p> <p>用更少的能量投入生產(chǎn)氨的一個主要障礙是將氨從反應(yīng)物(主要是氮和氫)中分離出來，而不需要Haber-Bosch工藝所需的大溫度和壓力波動。這種反應(yīng)發(fā)生在大約300到500攝氏度之間，但氨是通過將氣體冷卻到大約-20攝氏度來去除的，此時氣態(tài)氨凝結(jié)成液體。該過程還需要將反應(yīng)物加壓到約150-300倍大氣壓。所有這些都需要化石燃料能源。</p> <p>&nbsp;</p> <p>氨分離的替代方法可以為在不那么極端的條件下操作的替代工藝打開大門。為了解決這個問題，加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家設(shè)計并合成了多孔材料&mdash;&mdash;金屬有機框架，或MOF&mdash;&mdash;在中等壓力和175℃左右的溫度下結(jié)合和釋放氨。因為MOF不與任何反應(yīng)物結(jié)合，氨的捕獲和釋放可以在較小的溫度波動下完成，從而節(jié)省能源。</p> <p>&nbsp;</p> <p><img src="https://news.berkeley.edu/wp-content/uploads/2022/03/climate-change-square_BN.jpg" alt="A graphic with the words &quot;The Climate Crisis: Justice and Solutions&quot;" width="250" height="250" />&nbsp;</p> <p>領(lǐng)導(dǎo)這項研究的加州大學(xué)伯克利分校博士后本杰明&middot;斯奈德說:&ldquo;脫碳化肥生產(chǎn)的一個巨大挑戰(zhàn)是找到一種可以捕獲并釋放大量氨的材料，理想情況是用最小的能量輸入。&rdquo;&ldquo;也就是說，你不想在你的材料中放入大量的熱量來迫使氨脫落，同樣地，當氨吸收時，你也不希望產(chǎn)生大量廢熱。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>在較低的溫度和壓力下運行的工藝的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，氨和化肥可以在離農(nóng)民更近的較小設(shè)施中生產(chǎn)，甚至可以在農(nóng)場現(xiàn)場生產(chǎn)，而不是在大型的集中式化工廠生產(chǎn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>斯奈德說:&ldquo;我們的夢想是實現(xiàn)一種技術(shù)，讓世界上一些經(jīng)濟落后地區(qū)的農(nóng)民現(xiàn)在更容易獲得種植作物所需的氨。&rdquo;&ldquo;需要明確的是，我們的材料并沒有完全解決這個問題。但我們已經(jīng)提出了一種新的思考方式，即如何在改進的Haber-Bosch過程中使用金屬有機框架進行氨捕獲。我認為這項研究代表了這個方向上一個非常重要的概念進步。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Snyder和Jeffrey Long，這篇論文的資深作者，加州大學(xué)伯克利分?；瘜W(xué)和化學(xué)與生物分子工程教授，本周在《自然》雜志上發(fā)表了他們MOF研究的細節(jié)。本月，斯奈德加入了伊利諾伊大學(xué)香檳分校化學(xué)系，擔任助理教授。</p> <p>&nbsp;</p> <p>加州大學(xué)伯克利分校C.賈德森&middot;金杰出教授、勞倫斯&middot;伯克利國家實驗室的教師科學(xué)家Long說:&ldquo;這項工作具有根本的重要性，因為它揭示了一種選擇性氣體捕獲的新的合作機制。&rdquo;&ldquo;我們樂觀地認為，這種機制將擴展到其他具有工業(yè)意義的分子，這些分子對結(jié)合金屬具有很強的親和力。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong><span class="h1">&ldquo;綠色&rdquo;哈伯-博斯工藝</span></strong></p> <p><br />據(jù)斯奈德說，許多研究人員正在研究如何使哈伯-博世工藝(起源于20世紀初)更具可持續(xù)性。這包括生產(chǎn)一種主要的反應(yīng)物氫，利用太陽能將水分解成氫和氧。如今，氫氣通常是從天然氣中獲得，其中大部分是甲烷，通過反應(yīng)釋放出二氧化碳，這是主要的溫室氣體。</p> <p><img src="https://news.berkeley.edu/wp-content/uploads/2023/01/MOFStructure750px.jpg" alt="a framework of the MOF" width="750" height="500" />&nbsp;</p> <p>多孔金屬-有機框架的橫截面，顯示銅原子(橙色)被有機連接分子環(huán)己二羧酸鹽約束在剛性結(jié)構(gòu)中，環(huán)己二羧酸鹽含有氧(紅色)和碳(灰色)。氨在這個三維框架中劈開銅-氧鍵，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S聚合物。隨著氨的排出，多孔的3D框架會自我重組。(圖片來源:加州大學(xué)伯克利分校Jeffrey Long實驗室)</p> <p>&nbsp;</p> <p>其他綠色改造包括新型催化劑，在較低的溫度和壓力下工作，使氫與氮(通常從空氣中捕獲)反應(yīng)，生成氨，NH3。</p> <p>&nbsp;</p> <p>但是在反應(yīng)后從混合物中去除氨仍然很困難。其他多孔材料，如沸石，不能吸收和釋放大量的氨。人們嘗試過的其他MOFs在氨的存在下經(jīng)常會分解，氨具有很強的腐蝕性。</p> <p>&nbsp;</p> <p>斯奈德的創(chuàng)新之處是嘗試了一種相對較新的MOF，這種MOF利用銅原子與環(huán)己二羧酸有機分子連接，形成剛性和高度多孔的MOF結(jié)構(gòu)。令他驚訝的是，氨并沒有破壞這種MOF，而是將其轉(zhuǎn)化為含有銅和氨的聚合物鏈，這種聚合物具有極高的氨儲存密度。此外，聚合物鏈很容易在相對較低的溫度下放棄結(jié)合的氨，在此過程中將材料恢復(fù)到最初的剛性多孔MOF結(jié)構(gòu)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;當你把這種框架暴露在氨中，它的結(jié)構(gòu)就會完全改變，&rdquo;他說。&ldquo;它一開始是一種多孔的三維材料，當接觸到氨時，它實際上會自行分解，形成我所說的一維聚合物。把它想象成一捆繩子。這種非常不尋常的吸附機制使我們能夠吸收大量的氨。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>他補充說，在相反的過程中，&ldquo;當你去除氨時，聚合物會以某種方式重新編織成一個三維框架，我認為這是這種材料最引人注目的特征之一。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>斯奈德發(fā)現(xiàn)，MOF可以在大范圍的壓力下吸收和釋放氨，使其更適應(yīng)任何反應(yīng)條件，從而最有效地從可持續(xù)反應(yīng)物中生產(chǎn)氨。</p> <p>&ldquo;我們的MOF的好處是，我們發(fā)現(xiàn)它們可以合理調(diào)整，這意味著如果你最終鎖定了特定過程中的一組反應(yīng)條件，我們可以修改MOF的性能參數(shù)&mdash;&mdash;你使用的溫度和你使用的吸附劑的壓力&mdash;&mdash;以密切匹配特定的應(yīng)用。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>斯奈德強調(diào)，氨捕獲只是生產(chǎn)綠色氨的任何改進過程的一部分，這仍然是一項正在進行的工作。</p> <p>&nbsp;</p> <p>斯奈德說:&ldquo;有很多聰明人在考慮改進Haber Bosch工藝的催化劑和反應(yīng)堆設(shè)計，使其在更溫和的溫度和壓力下運行。&rdquo;&ldquo;我們的切入點是，在你制造了氨之后，我們的材料是你在這些新的反應(yīng)條件下試圖用來分離和捕獲氨的材料。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>該研究得到了美國能源部辦公室(DE-SC0019992)的支持。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點。</p> </blockquote> <p>&nbsp;</p>