同时生产氢气和肥料

德国鲁尔大学联盟的研究团队发现了一种催化剂，可用于将氨转化为能源载体氢和肥料前体亚硝酸盐。迄今为止，氢气的生产和肥料的生产是两个独立的化学过程。

通过这种新方法，波鸿鲁尔大学和杜伊斯堡-埃森大学的团队证明了两者可以在实验室规模上结合起来。由 Ieva Cechanaviciute 和 Wolfgang Schuhmann 教授领导的波鸿研究小组与杜伊斯堡-埃森大学的 Bhawana Kumari 和 Corina Andronescu 教授于 2024 年 6 月 23 日在《应用化学国际版》杂志上报告了研究结果。

利用电能将水(H 2 O)分解为氢(H 2)和氧(O 2)，即可产生氢气。为了使这一过程可持续，能源应来自可再生能源。

舒曼解释道：“这只有在拥有足够空间发展风力发电和充足阳光用于​​光伏发电的国家才能实现，比如纳米比亚。”

因此，为了在德国建立以氢为基础的经济，必须从遥远的国家进口氢。问题的关键在于，运输时需要大量能源来液化氢气，因为氢气只有在零下 253 摄氏度的极低温度或高压下才能变成液体。

氨比氢更容易运输

因此，替代概念设想在生产现场将氢转化为氨，因为氨在零下 33 摄氏度时会变成液态。它还具有更高的能量密度。

舒曼解释道： “一艘装满液氨的油轮比一艘装满液氢的油轮运输的能量大约多 2.5 倍。”

最后，氨必须在使用时再转化回氢。这通常使用逆哈伯-博施反应完成，其中氨 (NH 3 ) 转化为氮 (N 2 ) 和氢 (H 2 )。然而，在这两种产品中，只有氢可以有效利用。

氢气产量加倍

“因此，我们想到将逆哈伯-博施反应与水的二次电解相结合，以生产出一种可以轻松用于生产肥料的产品，例如亚硝酸盐或硝酸盐，而不是氮，”Ieva Cechanaviciute 解释道。

在此反应中，氨 (NH 3 ) 和水 (H 2 O) 被消耗，生成亚硝酸盐 (NO 2 - ) 和氢气 (H 2 )。与逆哈伯-博施反应相比，氢气产量增加了一倍，并且主要生成的不是不可使用的氮，而是亚硝酸盐，可进一步加工成肥料。

对于这一反应，研究小组使用了气体扩散电极，可以将氨以气体形式注入其中。“这是以前从未做过的，”舒曼解释说。“氨一直以溶解形式使用。”

克服热力学鸿沟

研究人员面临的一个挑战是找到一种合适的催化剂来实现他们的想法。这是因为起始材料 NH 3倾向于转化为氮，因为氮-氮三键非常强，而不是转化为亚硝酸盐。

“我们首先必须跨越这个热力学大峡谷，”Cechanaviciute 解释道。在早期的工作中，该团队已经试验了多金属催化剂，事实证明这种催化剂适合于此目的。他们能够将 87% 的转移电子转化为亚硝酸盐。该团队还设法避免了水电解过程中产生氧气这种不良副产品。

舒曼总结道：“我们的工作表明，我们的思想实验在原则上是可行的。但我们距离工业规模的技术实施还有很长的路要走。”