来自德国鲁尔大学联盟的一个研究小组发现了一种催化剂，可以将氨转化为能量载体氢和肥料前体亚硝酸盐。到目前为止，氢气的生产和肥料的生产一直是分开的化学过程。

通过这种新方法，来自波鸿鲁尔大学和杜伊斯堡-埃森大学的研究小组证明了这两者可以在实验室规模上结合起来。由Ieva Cechanaviciute和Wolfgang Schuhmann教授领导的波亨研究小组与杜伊斯堡-埃森大学的Bhawana Kumari和Corina Andronescu教授在2024年6月23日的《Angewandte Chemie International Edition》杂志上报告了这一结果。

氢可以通过利用电能将水(H2O)分解成氢(H2)和氧(O2)来产生。为了使这一过程可持续，能源应该来自可再生资源。

Schuhmann解释说:“这只能在一个有足够空间用于风力发电和大量太阳能用于光伏发电的国家实现，例如在纳米比亚。”

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，只有在零下253摄氏度的极低温度或高压下，氢才能变成液态，因此需要大量的能量来运输氢。

弹药尼亚比氢更容易运输

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摄氏度时变成液体。它也有更高的能量密度。

舒曼解释说:“一艘装满液态氨的油轮所输送的能量是一艘装满液态氢的油轮的2.5倍。”

最后，氨必须在使用时转化回氢。这通常是通过逆向Haber-Bosch反应来完成的，其中氨(NH3)转化为氮(N2)和氢(H2)。然而，在这两种产品中，只有氢可以有效利用。

氢产量翻倍

“因此，我们有了将逆向Haber-Bosch反应与第二次电解水相结合的想法，以生产一种产品，这种产品可以很容易地用于生产肥料，如亚硝酸盐或硝酸盐，而不是氮，”Ieva Cechanaviciute解释说。

在这个反应中，氨(NH3)和水(H2O)被消耗，产生亚硝酸盐(NO2-)和氢(H2)。与逆向Haber-Bosch反应相比，氢气产量增加了一倍，产生的不是不可用的氮，主要是亚硝酸盐，亚硝酸盐可以进一步加工成肥料。

在这个反应中，研究小组使用了气体扩散电极，氨可以作为气体进入电极。“这是以前从未做过的，”舒曼解释说。“氨总是以溶解形式使用。”

克服热力学峡谷

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。这是因为初始物质NH3由于很强的氮-氮三键倾向于转化为氮，而不是转化为亚硝酸盐。

“我们首先必须在这个热力学大峡谷上架起一座桥梁，”切查纳维西特解释说。在早期的工作中，该团队已经对多金属催化剂进行了实验，结果证明多金属催化剂适用于这一目的。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作为电解水的不良副产品的氧气。

“我们的工作表明，我们的格丹肯实验在原则上是可行的，”舒曼总结道。“但我们距离实现工业规模的技术应用还有很长的路要走。”

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