<述评>利用小型制造设备即可实现的氨合成方法:新一代能源氢的运输与保存有望高效化

新技术 2017年06月15日

日前,早稻田大学和日本株式会社日本触媒联合组成的研究开发小组,开发出了一种全新的氨合成方法。当前,氨被寄予了厚望,除了是化学制品原料之外,还是新一代能源氢的载体(保存物质)。目前,世界上普遍采用的氨生产方法,虽然可以实现量产化,但需要高温高压之类的条件。期待全新的合成方法在实际应用方面能够扩大氨的利用范围,例如能够成为一种与可再生能源相结合并可(根据需求)实现小规模按需生产的氨制造方法。

由早稻田大学理工学术院的关根泰教授、中井浩巳教授等人组成的研究小组与日本触媒共同研发出的新型催化剂是半导体催化剂,其载持了作为铂族金属元素之一的钌而成。仅需通上数瓦的直流电,即可实现氨的合成反应。与以往200摄氏度环境下才能进行的生产方法相比,新方法可以在远低于200摄氏度的低温下实现更为高效的氨合成反应。日本触媒已确认:利用这种催化剂,能够在9个大气压的条件之下实现全世界效率水平最高的氨合成反应。

在催化剂上合成氨的过程示意图(图片来源:科学技术振兴机构(JST))

在催化剂上合成氨的过程示意图

通电后,氢离子在具有半导体性的载体(SrZrOx)表面跳跃(图中1),与N2发生反应,经由中间体N2H+(图中2),最终生成氨(NH3)(图中3)。

氨作为以化肥为代表的化工制品的原料,每年在全世界大量制造与使用(全世界每年的消耗量约为1亿6千万吨)。目前普遍采用的生产方法是100多年前在德国发明的、被称为“哈伯-博施法”的合成法。这种能够利用空气和水来合成作为化肥原料的氨的合成制造方法一经问世,就使得全世界的粮食产量实现了飞跃性的提升。两位发明家也因此获得了诺贝尔化学奖。

利用哈伯-博施法来制造氨的特点在于,氨生产过程中需要400~500摄氏度的高温和100~300个大气压的高压。为了利用空气中的氮(N2)和水(H2O)来合成氨(NH3),首先需要切断氮(N2)中N与N的分子键,该反应须在高温高压的条件下才能进行。一般认为,此次研发出的新方法通过给予极其微弱的电场,在催化剂表面产生氢离子跳跃现象,从而使得氢离子不断敲打氮分子(N2),使得N与N的分子键易于断裂。关根教授等人通过利用电子显微镜进行的观察和红外分光分析等方式,确认了氢离子的跳跃加速了反应进程这一事实。

由于氢不同于汽油等化石燃料,不会排出有害气体,因此作为新一代的能源而备受期待。将其作为燃料电池车的燃料加以利用,不会排出二氧化碳,在应对温室效应方面成效显著。然而,燃料电池车想要在未来成为汽车的主角,必须要在各地建立氢供给站,以此来代替目前的加油站。从制造地开始输送和保存氢效率低下,如果将其以氨的形式进行输送和保存,使用之前再从氨中将氢分离出来,这样的利用方式目前前景看好。

研究开发小组期待,在远离现有大型氨生产设备的地方建造的化肥制造设备、能够(在生产的同时)回收火电站产生的氮氧化物的氨生产设备、甚至在孤岛等地安装的利用风力发电的氨制造设备等与可再生资源相结合的小型设备,都能实现按需生产形式的实用化。

此次的研发成果是从科学技术振兴机构(JST)的战略性创造研究推进事业团队型研究(CREST)的一部分得到的。以同样地接受了JST研究支持的东京工业大学细野秀雄教授的研究成果为基础,使用另一种催化剂实现的新型氨生产法已经在实用化的道路上领先一步。由使用氨作为原料的化学公司等联合出资,东京工业大学和JST提供支持的新公司在今年4月份刚刚成立。该公司的目标也是在远低于哈伯-博施法所要求的温度和压力条件下实现氨的合成。

文/ 客观日本编辑部

相关链接(日语)

早稻田大学·日本催化剂·JST新闻稿《开发出利用可再生能源等,实现低温小型设备按需生产的氨合成方式》

JST・CREST研究课题“【关根泰】基于超空间控制催化剂的惰性低级烷烃的自由转换”

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2017年05月11日《成立新公司推广全新的氨生产方法》

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