球磨机机械催化合成氨

与饥饿作斗争的突破、三项诺贝尔奖和 1.5 亿吨的年产量——但仍然是一个棘手的研究课题：100 多年来，化学工业一直在使用哈伯-博世工艺来转化大气中的氮和氢氨是矿物肥料和许多其他化学产品的重要成分。Max-Planck-Institut für Kohlenforschung 的科学家们现在发现了一种令人惊讶的简单方法，可以在环境温度甚至大气压下生产氨，因此在比 Haber-Bosch 工艺所需的条件温和得多的条件下。反应物通过磨机，磨机研磨用于促进惰性氮气和氢气之间反应的催化剂。结果是稀薄但连续的氨流。

五百摄氏度和 200 巴——这些是让氮气与氢气结合生成氨所需的条件。只有这种形式的氮才能被植物利用。尽管围绕矿物肥料存在诸多争议，但哈伯-博世工艺正在为养活不断增长的世界人口做出重要贡献。因此，难怪弗里茨·哈伯 (Fritz Haber) 和卡尔·博施 (Carl Bosch) 以及马克斯·普朗克 (Max Planck) 研究员格哈德·埃特尔 (Gerhard Ertl) 获得了诺贝尔化学奖，他们准确地阐明了这一过程中发生的事情。尽管如此，化学家仍然专注于氨的合成。“这是 100 年来梦寐以求的反应”，鲁尔河畔米尔海姆马克斯普朗克研究所所长 Ferdi Schüth 说。这体现了转型在经济上的重要性和实现的难度。因为氨被认为是一种潜在的氢气储存介质可再生能源，它可能变得更加重要。

化学家希望免除苛刻的反应条件——也是因为需要大量的能量。已经做出了相当大的努力来寻找替代的生产方法：其他催化剂、光作为能源、电解，甚至机械催化——在球磨机中进行的过程。但是这些方法只产生了微量的氨(如果有的话)。

比 Haber-Bosch 工艺的其他替代方案更高的产量

当 Steffen Reichle 在用钢球轧制固体的轧机中计划他的实验时，他没有想到会大量生产。“一开始，我主要关心如何检测极少量的氨”，正在攻读博士学位的化学家说。在 Max-Planck-Institut für Kohlenforschung。在大气压下，气体形成的体积分数仅为 0.1% 左右。然而，在 20 bar 下，它的产量为 0.26%，在进一步优化的条件下，产量为 0.4%。这足以能够使用传统的测量方法检测产品，而且肯定比以前寻找 Haber-Bosch 工艺替代路线的方法更多。“通过技术优化，我们可能会进一步提高产量”，Reichle 说。他还设计了一种工艺，使原料可以连续通过球磨机，氨气稳定地流出反应容器。在化工行业 更喜欢这样的方法，因为它们比那些反应物必须在密闭容器中分批混合并且反应不断中断以分离产物的那些更容易处理。

铯作为一种化学小精灵粉尘

化学家首先寻找最佳催化剂，在球磨机中合成氨的收率相对较高。具体来说，他们希望增强铁的效果，铁是传统哈伯-博世催化剂的重要组成部分。他们通过将碱金属铯与铁粉混合来做到这一点。结合研磨球的机械力，添加剂将催化剂活化到惰性氮与氢结合的程度，即使在相对温和的条件下也是如此。

研究人员对铯的刺激作用有几种可能的解释。然而，为什么简单的研磨过程会促进反应仍然是未知的。他们现在想追查到底。“如果我们更好地了解过程中究竟发生了什么，我们或许能够找到一种方法来进一步提高氨的产量，”Schüth 说。球磨机也可能成为合成氨的首选手段”。

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