同时生产氢气和肥料

德国鲁尔大学联盟的一个研究小组发现了一种催化剂，可用于将氨转化为能量载体氢和肥料前体亚硝酸盐。迄今为止，氢气的生产和肥料的生产是两个独立的化学过程。通过这种新方法，来自波鸿鲁尔大学和杜伊斯堡-埃森大学的团队正在证明，这两者可以在实验室规模上结合起来。波鸿团队由 Ieva Cechanaviciute 和 Wolfgang Schuhmann 教授领导，他们将与杜伊斯堡-埃森大学的 Bhawana Kumari 和 Corina Andronescu 教授一起 于 2024 年 6 月 23 日在《应用化学》国际版杂志上报告研究结果。

氢气可以通过利用电能将水 (H 2 O) 分解为氢气 (H 2 ) 和氧气 (O 2 ) 来生产。为了使这一过程可持续，能源应来自可再生能源。“这只能在拥有足够空间用于风能和大量阳光用于光伏发电的国家实现，例如纳米比亚，”沃尔夫冈·舒曼 (Wolfgang Schuhmann) 解释道。因此，为了在德国建立以氢气为基础的经济，必须从遥远的国家进口氢气。问题的关键在于，需要大量能源来液化氢气以供运输，因为它只有在零下 253 摄氏度的极低温度或高压下才会变成液体。

氨比氢更容易运输

因此，替代概念设想在生产现场将氢气转化为氨，因为氨在零下 33 摄氏度时会变成液体。它还具有更高的能量密度。“一辆装满液氨的油罐车运输的能量大约是一辆装满液氢的油罐车的 2.5 倍，”舒曼解释道。最后，氨必须在使用时再转化回氢气。这通常使用逆哈伯-博施反应来完成，其中氨 (NH 3 ) 转化为氮 (N 2 ) 和氢 (H 2 )。然而，在这两种产品中，只有氢气可以有效利用。

氢气产量加倍

“因此，我们想到将逆哈伯-博施反应与水的二次电解结合起来，以生产出一种可以轻松用于生产肥料的产品，例如亚硝酸盐或硝酸盐，而不是氮，”Ieva Cechanaviciute 解释道。在这个反应中，氨 (NH 3 ) 和水 (H 2 O) 被消耗，产生亚硝酸盐 (NO 2 - ) 和氢气 (H 2 )。与逆哈伯-博施反应相比，氢气产量增加了一倍，并且主要产生的不是不可使用的氮，而是亚硝酸盐，可以进一步加工成肥料。

对于这一反应，该团队使用了气体扩散电极，可以将氨以气体形式送入其中。“这是以前从未做过的，”沃尔夫冈·舒曼解释说。“氨一直以溶解形式使用。”

克服热力学鸿沟

研究人员面临的一个挑战是找到一种合适的催化剂来实现他们的想法。这是因为起始材料 NH 3 倾向于转化为氮，因为氮氮三键非常强，而不是转化为亚硝酸盐。“我们首先必须跨越这个热力学大峡谷，”Cechanaviciute 解释道。在早期的工作中，该团队已经试验了多金属催化剂，事实证明这种催化剂适合此目的。他们能够将 87% 的转移电子转化为亚硝酸盐。该团队还设法避免了氧气作为水电解的不良副产品。

“我们的工作表明，我们的思想实验在原则上是可行的，”沃尔夫冈·舒曼总结道。“但我们距离工业规模的技术实施还有很长的路要走。”

鲁尔大学联盟

自 2007 年以来，鲁尔区三所大学在鲁尔大学联盟 ( UA Ruhr )的框架下开展了密切的战略合作。通过整合优势，合作院校正在系统地扩大产出。目前，双方在研究、教学和管理领域开展了 100 多项合作，所有合作都建立在“共同进步”的原则上。鲁尔大学拥有 120,000 多名学生和近 1,300 名教授，是德国规模最大、表现最好的科学技术中心之一。

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