三合一反應器最終可能取代用來生產氨和化肥的工廠。圖片來源：SAOIRSE_2010/ISTOCK.COM

為了養活全球70多億人口，人類依靠有上百年歷史的哈伯—博世工藝將空氣中的氮和天然氣中的甲烷轉化為氨，后者是制造化肥的原始材料。但是這一過程每年排放了超過4.5億噸的二氧化碳，約占人類碳排放總量的1%，比任何其他工業化學反應的碳排放量都要多。

如今，一種新型陶瓷反應器可以將這一過程的碳排放量減半。如果可以擴大規模，這項新技術還可以降低全球化肥價格，因為它可以讓農田附近的小化工廠更加容易地生產化肥。

“這一成果讓我印象很深。”并未參與該項研究的美國劍橋市麻省理工學院化學工程師Karthish Manthiram說。20世紀初發明的哈伯—博世工藝使用3個獨立的反應器從甲烷中生成氫，然后將甲烷與氮結合生成氨。相比之下，新方法將3個反應器合為1個反應器。

“這種流線型設計減少了能源消耗和二氧化碳排放量。”Manthiram說。

制造氨的標準三步法的第一步被稱為蒸汽甲烷轉化。在這一過程中，高溫以及1000攝氏度的高溫，使得蒸汽和甲烷在固體鎳催化劑上混合。催化劑加速了分解蒸汽和甲烷的化學反應，并生成了氫氣分子和一氧化碳(一種有毒氣體)分子。隨后，第二個反應器將一氧化碳和蒸汽轉化為更溫和的二氧化碳和氫氣。最后，第三個反應器將氫氣和氮轉化為氨。但是在第一個反應器中產生的氫氣減慢了鎳催化劑的工作速度。

為了讓催化劑以一種更高的速度工作，荷蘭埃因霍芬市基礎能源研究所化學工程師Vasileios Kyriakou和來自希臘的同事，尋求了一種新的反應器設計，能在氫原子從甲烷分子中剝離出來后立即將其移除。

研究人員制造了一根薄薄的陶瓷管，蒸汽和甲烷在里面像往常一樣混合在一起。管道內壁上的鎳催化劑產生了帶正電荷的氫離子、電子和二氧化碳。隨后，二氧化碳以廢氣的形式從管中排出，同時，外加的電壓推動帶負電荷的電子通過一根導線到達覆蓋在陶瓷管外表面的第二種催化劑上。

這些負電荷反過來使帶正電荷的氫離子穿過陶瓷膜壁來到管的外表面。這種離子的虹吸作用使得陶瓷管內的催化劑能夠以更快的速度工作。它還可以使該反應在大約600攝氏度的環境中進行，這個溫度只產生副產品二氧化碳，而不是必須進一步處理的一氧化碳。

與此同時，在陶瓷管的外表面，含有釩、氮和鐵的第二種催化劑使氫離子、電子和氮分子分別進入管道并形成氨，所有這些反應都是在大氣壓下進行的。

研究人員在本周出版的《焦耳》雜志上報告說，由于驅動反應所需的能量減少，他們只需用常規蒸汽甲烷轉化產生的二氧化碳的一半就能制造出氨。

Kyriakou指出，除了更有價值的氨外，第二種催化劑還生成一些氫氣。研究人員通過將這些氫氣注入燃料電池，并使之與氧氣結合，從而產生了水和電，而這些電被他們用來驅動陶瓷氨反應器。

Kyriakou說，目前氨合成催化劑在陶瓷管的外表面仍然太慢，導致這個過程無法與蒸汽甲烷轉化競爭。然而，他說，自己和同事已經在尋找改進的催化劑，以幫助他們顛覆有史以來最重要的化學過程之一。

研究人員可能會得到很多幫助。Manthiram說：“這是一種截然不同的(制造氨的)戰略，將激勵許多其他機構嘗試這種做法。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.10.006