中子散射研究为碳中性氨的电化学研究指明了道路

斯坦福大学和能源部橡树岭国家实验室的科学家正在将空气转化为肥料，而不留下碳足迹。他们的发现可以提供急需的解决方案，帮助到2050年实现全球碳中和目标。

该研究发表在《能源与环境科学》杂志上，描述了一种可持续的电化学而非化学工艺来生产氨，氨是氮肥的关键成分。

本质上，研究人员利用中子散射来了解氮转化为氨(也称为氮还原反应)过程中电流的循环如何增加氨的产生量。这一过程有可能使农民能够将大气中最丰富的元素氮转化为氨基肥料，而不排放二氧化碳。

“氨对于世界上大多数人口的粮食供应至关重要，”斯坦福大学界面科学与催化中心前博士生、现在科罗拉多州国家可再生能源实验室担任博士后研究员的莎拉·布莱尔说。“随着世界人口持续增长，我们需要可持续的方式来生产化肥——尤其是在气候变暖加剧的情况下。”

工业肥料使农民能够在更少的土地上种植更多的粮食。然而，哈伯-博世工艺是一个多世纪以来生产工业氨的主要方法，由于需要化石燃料，它的二氧化碳排放量占所有二氧化碳排放量的近2%。

百分之二可能听起来不是很多，但我们向大气中添加二氧化碳的速度比地球吸收二氧化碳的速度要快，因此我们尽一切努力减少这个数字。哈伯-博世工艺每年产生约5亿吨二氧化碳，这需要相当于美国几乎所有联邦土地的吸收和储存。

这项研究的见解还可以帮助科学家了解为其他应用制造碳中性氨的其他过程。这些措施可能包括在肥料径流进入水流之前对其进行回收或重新捕获，以及在海港生产氨为船舶提供燃料。全球航运产生的二氧化碳排放量占全球二氧化碳排放量的另外3%，而化石燃料燃烧是人类活动产生的二氧化碳的最大来源。

“如果你不知道某个东西是如何运作的，你就无法改进它的设计，”布莱尔说。“中子通过在原子水平上揭示某些无法通过其他方式研究的系统来帮助科学发展。”

布莱尔和橡树岭国家实验室的高级中子散射科学家马特·杜塞特在散裂中子源的液体反射计仪器上进行了中子实验。他们的目的是了解在使用锂作为介体产生氨的氮还原反应系统中，循环电流对固体电解质界面(SEI)形成的影响。

了解SEI的形成不仅是解开氨电化学生产背后科学的关键，也是生产更好电池的关键。该研究还标志着首次使用基于中子的技术来观察这种特定电化学转换过程中SEI层的形成。

此外，这项研究还出现了一种独特的新型中子技术，即时间分辨反射测量法。这项技术允许科学家将中子数据分割成几秒钟的增量，捕获更多细节，就像逐帧观看电影一样。最初，布莱尔和杜塞特认为他们观察到的电化学变化是逐渐发生的。然而，得益于新技术，他们发现变化发生在更小的时间增量内。

“当你更仔细地观察时，看似线性的过程可能根本不是线性的，”杜塞特说。“将这种结构作为时间的函数是困难的部分。我们为这个实验开发的技术使我们能够做到这一点。”

SNS的发现为改善人们日常生活的技术创新奠定了知识基础。Blair和Doucet开发的技术为SNS用户开启了电化学领域的新可能性。

与社交网络用户密切合作的ORNL仪器科学家HanyuWang表示：“这些依赖时间的实验将吸引研究分离化学的科学家。”

橡树岭国家实验室中子反射测量组组长JimBrowning补充道：“他们的方法可以回答分离化学、电池以及整个不同领域的问题，例如能源生产、能源存储和能源守恒。”