為了養(yǎng)活超過70億的饑餓之人，人類依靠的是具有百年歷史的Haber-Bosch工藝，將空氣中的氮和天然氣中的甲烷轉化為氨(肥料的起始原料)。但是，該過程每年排放的二氧化碳超過4.5億噸(CO2)，約占人類總排放量的1%，比任何其他工業(yè)化學反應都要多?，F(xiàn)在，一種新型的陶瓷反應堆可以將其減少一半。如果能夠擴大規(guī)模，這項新技術還可以通過更容易在使用地點附近的小型化工廠生產(chǎn)肥料來降低全球肥料價格。

“我印象非常深刻，”劍橋麻省理工學院的化學工程師Karthish Manthiram說，他沒有參與這項工作。哈伯-博世(Haber-Bosch)工藝是在1900年代初發(fā)明的，它使用三個獨立的反應器從甲烷中產(chǎn)生氫氣，然后將該甲烷與氮氣結合生成氨。相比之下，新方法將所有三個反應堆合并為一個。“精簡過程減少了能源和CO2足跡，” Manthiram說。

制備氨的標準三步法的第一部分稱為蒸汽甲烷重整。在其中，蒸汽和甲烷在高壓和高達1000°C的溫度下在固態(tài)鎳催化劑上混合。催化劑可加速化學相互作用，從而分解蒸汽和甲烷，并生成分子氫(H2)和一氧化碳(CO)。然后第二反應器將CO，毒物和蒸汽轉化為更溫和的CO2和H2。最后，第三反應器將氫和氮轉化為氨。但是在第一反應器中產(chǎn)生的H2減慢了鎳催化劑的工作。

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為了使催化劑以更高的速率運轉，位于埃因霍溫的荷蘭基礎能源研究所的化學工程師Vasileios Kyriakou和來自希臘的同事們尋求一種反應器設計，以將氫原子從甲烷分子中分離出來后立即除去。他們創(chuàng)造了一根細陶瓷管，蒸汽和甲烷像往常一樣混在其中。管內(nèi)表面上的鎳催化劑產(chǎn)生帶正電的氫離子，電子和CO2。CO2作為廢氣從管中流出，施加的電壓將帶負電的電子通過導線推到覆蓋管外表面的第二種催化劑上。

負電荷的收集又將帶正電的氫離子通過陶瓷膜的壁拉到管子的外表面。虹吸掉離子可使氣缸內(nèi)的催化劑以更快的速度工作。它還允許反應在約600°C發(fā)生，該溫度僅產(chǎn)生副產(chǎn)物CO2而不是必須進一步處理的CO。

同時，在管子的外表面上，第二種催化劑-含有釩，氮和鐵-導致氫離子，電子和氮分子分別輸送到管道中以形成氨，所有這些都在大氣壓下進行。他們在本周的焦耳報道中說，驅動反應所需的減少的能量使研究小組只需用傳統(tǒng)蒸汽甲烷重整的CO2的一半就能產(chǎn)生氨。

Kyriakou指出，第二催化劑除了產(chǎn)生更有價值的NH3之外，還會生成一些H2。研究人員通過將這種H2輸送到燃料電池中來利用該燃料電池，該燃料電池將氫氣與氧氣結合起來以產(chǎn)生水和電，他們利用后者來驅動陶瓷氨反應器。Kyriakou說，目前，該管外表面的氨合成催化劑仍然太慢，無法與蒸汽甲烷重整競爭。但是，他說，他和他的同事們已經(jīng)在尋找改良的催化劑，以幫助他們推翻有史以來最重要的化學工藝之一。