東京大學(xué)研究人員近日基於一種特殊鉬基催化劑，發(fā)現(xiàn)了可以輕便、高效、清潔、低能耗、低成本的新型制氨工藝——釤催化氨氣生產(chǎn)（SWAP），能夠改善農(nóng)民獲取氨肥的途徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》上。
傳統(tǒng)的將大氣中的氮?dú)夂铣砂钡墓に囀枪级戏℉aber–Bosch（），被譽(yù)為20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，促進(jìn)了顛覆式技術(shù)的發(fā)展。但這種方法存在著高能耗的弊端。
據(jù)瞭解，哈布二氏法製造工藝每個(gè)迴圈只轉(zhuǎn)換10%的原料，所以需要運(yùn)行多次才能全部耗盡。其中一種原料是來(lái)自化石燃料生產(chǎn)的氫氣。化學(xué)反應(yīng)是在大約400~600攝氏度高溫和100~200個(gè)大氣壓的壓力下進(jìn)行的，生產(chǎn)過(guò)程消耗了大量的能源。
而SWAP工藝可以改善這種情況。東京大學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)新系教授Yoshiaki Nishibayashi解釋稱，“哈布二氏法的生產(chǎn)過(guò)程消耗了所有天然氣產(chǎn)量的3%~5%，大約占世界能源供應(yīng)總量的1%~2%。相比之下，豆類植物具有共生的固氮細(xì)菌，它們能夠在正常的大氣溫度和壓力下產(chǎn)生氨。我們分離了這一機(jī)制，並對(duì)固氮酶進(jìn)行了反向工程設(shè)計(jì)?！?/p>
多年來(lái)，Nishibayashi和他的團(tuán)隊(duì)使用實(shí)驗(yàn)室製造的催化劑，試圖複製固氮酶的功能表現(xiàn)。其他研究人員也進(jìn)行過(guò)嘗試，但他們的催化劑在失效前只能產(chǎn)生幾十到幾百個(gè)氨分子。而Nishibayashi團(tuán)隊(duì)所採(cǎi)用的特殊鉬基催化劑在4小時(shí)內(nèi)可產(chǎn)生4350個(gè)氨分子，然後才會(huì)失效。
Nishibayashi介紹，SWAP工藝製造氨的速度是哈布二氏法的300~500倍，而且效率達(dá)到了90%。鑒於其生產(chǎn)過(guò)程以及原材料收集過(guò)程極大地節(jié)省了能源，因此這一工藝的好處顯而易見(jiàn)。
此外，任何擁有合適原材料的人都能夠借助化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行SWAP生產(chǎn)，而哈布二氏法則需要規(guī)模巨大的工業(yè)設(shè)備。這一新工藝能夠?yàn)槿狈Π嘿F設(shè)備投資能力的企業(yè)帶來(lái)機(jī)會(huì)。從成本及能源角度來(lái)說(shuō)，原材料本身就是巨大節(jié)省。
SWAP生產(chǎn)就像哈布二氏法一樣從空氣中提取氮?dú)猓翘厥獾你f基催化劑將氮?dú)馀c水中的氫和二碘化釤的電子結(jié)合到一起。二碘化釤目前能夠通過(guò)採(cǎi)礦獲得，而且能夠在SWAP過(guò)程中耗盡。二碘化釤可以通過(guò)電力補(bǔ)充失去的電子從而實(shí)現(xiàn)回收利用，而且研究人員計(jì)畫(huà)未來(lái)將其替換成廉價(jià)的可再生資源。
Nishibayashi稱：“我們發(fā)現(xiàn)一些像水一樣常見(jiàn)的化合物可以作為原材料。鉬基催化劑通常不允許這樣做，但我們的催化劑是特殊的。這是第一個(gè)反應(yīng)速率接近自然界中固氮酶生成速率的人工固氮反應(yīng)。和自然發(fā)生的過(guò)程一樣，它也是被動(dòng)的，因此對(duì)環(huán)境更有利。”
