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钌:化学家发现了利用氨能量的新方法
时间:2021-11-16 文章来源:
  这篇论文的作者之一、威斯康星大学麦迪逊分校化学家约翰·贝里(John Berry)实验室的前博士后研究员克里斯蒂安·瓦伦(Christian Wallen)解释说:“目前世界是靠碳燃料经济运行的。”“这不是一个伟大的经济,因为我们燃烧碳氢化合物,释放二氧化碳到大气中。我们没有办法闭合真正的碳循环回路,将二氧化碳转化为有用的燃料。”
面向联合国2050年成为碳中性世界的目标,科学家们必须考虑对环境负责的方式来创建能源以外的元素碳,美国威斯康辛大学麦迪逊分校的团队提出了一种基于互变现象的氮和氨氮能源经济。
科学家们兴奋地发现,在含有类似铂的元素钌的金属催化剂中加入氨会自发地产生氮,这意味着不需要额外的能量。相反,这个过程可以利用质子和氮气作为副产品来发电。此外,金属配合物可以通过暴露在氧气中循环使用,所有这些都比使用碳基燃料清洁得多。
“我们发现,我们不仅在制造氮,而且在完全前所未有的条件下制造氮,”贝瑞说,他是莱斯特·麦克纳尔化学教授,主要研究过渡金属化学。“能够在环境条件下完成氨-氮反应并获得能量是一件相当大的事情。”
氨作为燃料来源已燃烧多年。在第二次世界大战期间,它被用于汽车,今天的科学家们正在考虑如何在发动机中燃烧它,以替代汽油,特别是在海事行业。然而,燃烧氨会释放出有毒的氮氧化物气体。
新的反应避免了那些有毒的副产品。如果这个反应被放置在一个燃料电池中,氨和钌在电极表面发生反应,它就可以在不需要催化转换器的情况下清洁地发电。
“对于燃料电池来说,我们想要的是电力输出,而不是输入,”沃伦说。“我们发现了一种化合物,可以在室温下催化氨转化为氮,而无需施加任何电压或添加任何化学物质。据我们所知,这是第一个步骤。”
这篇论文的作者、研究生Michael Trenerry说:“我们已经建立了氨气分配的基础设施,在Haber-Bosch过程中,氨气已经从氮和氢中大量生产出来。”“这项技术可以实现无碳燃料经济,但这只是难题的一半。氨合成的缺点之一是,我们用来制造氨的氢来自天然气和化石燃料。”
然而,这种趋势正在改变,因为氨生产商试图生产“绿色”氨,其中的氢原子是由碳中性水电解提供,而不是能源密集型的哈伯-博世过程。
根据Berry的说法,随着氨合成的挑战得到解决,将氨作为一种通用能源或燃料将会有很多好处。它和丙烷一样是可压缩的,便于运输和储存。尽管已经有一些氨燃料电池存在,但与这种新工艺不同的是,它们需要额外的能量,例如,先将氨分解成氮和氢。
该小组的下一步工作包括研究如何利用这一新发现设计一种燃料电池,并考虑以环保的方式来制造所需的起始材料。

“我想要思考的下一个挑战是如何从水中产生氨,而不是氢气,”特伦特里说。“我们的梦想是在水中、空气和阳光中创造一种燃料。”


【由威斯康星大学麦迪逊分校University of Wisconsin-Madison提供】


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