新反应堆可以将氨生产中的二氧化碳排放量减少一半

为了养活超过70亿的饥饿之人，人类依靠的是具有百年历史的Haber-Bosch工艺，将空气中的氮和天然气中的甲烷转化为氨(肥料的起始原料)。但是，该过程每年排放的二氧化碳超过4.5亿吨(CO2)，约占人类总排放量的1%，比任何其他工业化学反应都要多。现在，一种新型的陶瓷反应堆可以将其减少一半。如果能够扩大规模，这项新技术还可以通过更容易在使用地点附近的小型化工厂生产肥料来降低全球肥料价格。

“我印象非常深刻，”剑桥麻省理工学院的化学工程师Karthish Manthiram说，他没有参与这项工作。哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺是在1900年代初发明的，它使用三个独立的反应器从甲烷中产生氢气，然后将该甲烷与氮气结合生成氨。相比之下，新方法将所有三个反应堆合并为一个。“精简过程减少了能源和CO2足迹，” Manthiram说。

制备氨的标准三步法的第一部分称为蒸汽甲烷重整。在其中，蒸汽和甲烷在高压和高达1000°C的温度下在固态镍催化剂上混合。催化剂可加速化学相互作用，从而分解蒸汽和甲烷，并生成分子氢(H2)和一氧化碳(CO)。然后第二反应器将CO，毒物和蒸汽转化为更温和的CO2和H2。最后，第三反应器将氢和氮转化为氨。但是在第一反应器中产生的H2减慢了镍催化剂的工作。

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为了使催化剂以更高的速率运转，位于埃因霍温的荷兰基础能源研究所的化学工程师Vasileios Kyriakou和来自希腊的同事们寻求一种反应器设计，以将氢原子从甲烷分子中分离出来后立即除去。他们创造了一根细陶瓷管，蒸汽和甲烷像往常一样混在其中。管内表面上的镍催化剂产生带正电的氢离子，电子和CO2。CO2作为废气从管中流出，施加的电压将带负电的电子通过导线推到覆盖管外表面的第二种催化剂上。

负电荷的收集又将带正电的氢离子通过陶瓷膜的壁拉到管子的外表面。虹吸掉离子可使气缸内的催化剂以更快的速度工作。它还允许反应在约600°C发生，该温度仅产生副产物CO2而不是必须进一步处理的CO。

同时，在管子的外表面上，第二种催化剂-含有钒，氮和铁-导致氢离子，电子和氮分子分别输送到管道中以形成氨，所有这些都在大气压下进行。他们在本周的焦耳报道中说，驱动反应所需的减少的能量使研究小组只需用传统蒸汽甲烷重整的CO2的一半就能产生氨。

Kyriakou指出，第二催化剂除了产生更有价值的NH3之外，还会生成一些H2。研究人员通过将这种H2输送到燃料电池中来利用该燃料电池，该燃料电池将氢气与氧气结合起来以产生水和电，他们利用后者来驱动陶瓷氨反应器。Kyriakou说，目前，该管外表面的氨合成催化剂仍然太慢，无法与蒸汽甲烷重整竞争。但是，他说，他和他的同事们已经在寻找改良的催化剂，以帮助他们推翻有史以来最重要的化学工艺之一。

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