客觀日本

混合氮化鐵和碳酸水可在常溫常壓下合成氨,無需觸媒

2021年07月27日 化學材料

東京都市大學的江場宏美副教授等人的研究團隊開發出了在常溫常壓下生成氨的技術——只需在碳酸水中放入氮化鐵混合即可生成氨。目前該技術還只能小規模生產,未來將探索效率更高的反應條件和降低成本的方法,並考慮實施工業化。

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只需將氮化鐵放入碳酸水中搖晃即可生成氨(圖片由東京都市大學江場副教授提供)

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氨是由氮和氫組成的物質,在常溫下爲氣態。氮是植物成長所需的物質,氨是氮肥的原料。在最近的去碳社會進程中,氨可以安全地運輸即使燃燒也不排放二氧化碳(CO2)的氫燃料的優點受到了關注。

氨的工業生產一直利用100多年前開發的「哈柏法」。即在400~600攝氏度的高溫和100~300個大氣壓力的高壓下使氮和氫發生反應。該方法的課題在於會消耗巨大的能量,因此一直在研究以更溫和的條件制氨的方法。雖然也開發了能在低溫下合成氨的方法等,但觸媒大多都要使用昂貴的金屬。

江場副教授最初一直在致力於混合鐵和碳酸水生成氫的研究。他注意到在實驗中生成的氫中含有微量的氨,而他使用的是純鐵,不含氨的組成原子氮,因此他對氨是如何生成的感到很好奇。「這也許會成爲有助於運輸氫的氨的劃時代製造方法」,於是他便對此開始了研究。

隨後發現,將粉末狀的氮化鐵放入碳酸水中並攪拌的方法適合用來制氨。由於在常溫常壓下即可生成氨,無需像哈柏法那樣使用大規模的設備。作爲碳酸離子溶解到碳酸水中的二氧化碳會與鐵發生反應生成固體碳酸鐵,因此還有削減二氧化碳的效果。

新方法也不需要觸媒。哈柏法的氨合成效率約爲15~20%,新方法「可以將氮化鐵中含有的所有氮轉換成氨」(江場副教授)。常溫下也可以生成氨,但溫度爲50~60攝氏度時效率會進一步提高。另外江場副教授還發現,混合碳酸鈉等添加物提高碳酸離子的濃度也可以提高制氨效率。

目前它只能在小規模内進行合成,因此首先考慮面向家庭菜園、小規模農業和科學教育發行套件等實施實用化。爲了達到工業水平,需要提高反應速度並降低成本。江場副教授表示:「我們想找到一種性能更好的促進反應的添加物。還需要以低成本大量採購氮化鐵」。

日文:三隅勇氣、《日經產業新聞》,2021/07/14
中文:JST客觀日本編輯部