一個世紀(jì)前，德國化學(xué)家弗里茨·哈伯(Fritz Harber)發(fā)明了利用氫氣與氮?dú)庵苽浒钡男录夹g(shù)，并因此榮獲1918年的諾貝爾化學(xué)獎。時至今日，該方法仍被廣泛應(yīng)用。它的出現(xiàn)可謂引發(fā)了人類社會的農(nóng)業(yè)革命。
但是，該合成氨工藝苛刻的反應(yīng)條件(高溫高壓)，消耗了大量的社會能源(約占全世界能源總消耗的的百分之一)。如何降低合成氨的能源消耗，一直是化學(xué)家們思索的問題，畢竟，氨在當(dāng)今社會仍然是一種非常重要的肥料。
近日，猶他大學(xué)的化學(xué)家們公布了一種合成氨的新方法：他們用自然界的酶作催化劑，在室溫條件下成功制備出氨氣。這一獨(dú)辟蹊徑的工藝還有一個額外的“小饋贈”：反應(yīng)過程會產(chǎn)生電流，盡管非常微小。該方法發(fā)表在《應(yīng)用化學(xué)·國際刊》(Angewandte Chemie International Edition)上。
盡管到目前為止，猶他大學(xué)化學(xué)和材料科學(xué)工程教授雪莉·敏特爾(Shelley Minteer)與博士后學(xué)者羅斯·彌爾頓(Ross Milton)僅用這一方法制備出少量的氨氣，但是他們的發(fā)現(xiàn)或許為我們開啟了低能耗合成氨的新思路。
敏特爾教授說：“我們使用的合成氨方法是一個自發(fā)的過程。反應(yīng)過程不僅不需要向系統(tǒng)提供能量，實(shí)際上它還能自己產(chǎn)生電力。”
氨的制備方法
化學(xué)合成法
無論是哈伯-博世工藝(以卡爾·博世命名，他將哈伯的合成氨工藝推向了工業(yè)化生產(chǎn))，還是由敏特爾-彌爾頓開發(fā)的合成氨工藝，都遵循著最基本的化學(xué)原理—先斷開氮分子中兩個氮原子之間的強(qiáng)化學(xué)鍵，然后再用氫還原氮，即氫向氮提供電子與質(zhì)子(氨分子是由一個氮原子和三個氫原子組成的)。
在哈伯-博世工藝過程之中，氫氣和氮?dú)庠诟邷馗邏?250個大氣壓，500℃高溫)的條件下被泵送到金屬催化劑床層上，以促進(jìn)反應(yīng)的發(fā)生。目前，這一工藝每年為我們提供近5億噸氨。
模擬電池法
在生物學(xué)中，氣態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨的過程被稱為氨的“固化”，并且有多種不同的實(shí)現(xiàn)途徑。其中之一即利用一種稱為固氮酶的生物酶。它是目前人們已知的唯一一種能將氣態(tài)氮直接還原為氨的酶，常存在于一些細(xì)菌中。在燃料電池領(lǐng)域，關(guān)于這種生物酶的研究并不多見，主要是因?yàn)檫@種酶還無法商業(yè)化獲取，而且其整個過程必須在無氧環(huán)境中進(jìn)行。
敏特爾與彌爾頓設(shè)想了一種利用固氮酶與固氫酶來模仿生物固氮過程的燃料電池系統(tǒng)。敏特爾在西班牙催化和石油化學(xué)(Catalysis and Petroleoquimica)研究所的合作者十分慷慨地提供了該系統(tǒng)中所需要的固氫酶，它能將氫氣中的電子剝離，并將其供于氮?dú)獾倪€原反應(yīng)中。
彌爾頓利用手套箱進(jìn)行工作，使固氮酶保持在無氧環(huán)境中
敏特爾說，“我們的研究團(tuán)隊做得最棒的事情是，設(shè)計了這種酶與電極之間的界面，從而使其能夠與電極表面進(jìn)行聯(lián)系”。
他們設(shè)計的這一燃料電池有兩個分隔開的電極室，并由碳紙電極連接。在其中的一個小瓶中(陽極)，氫氣被氫化酶氧化，并且產(chǎn)生的電子被輸送到陽極碳紙電極。而在另一個小瓶里(陰極)，從陽極過來的電子又從陰極碳紙電極脫離，并且通過氮化酶與氮結(jié)合以產(chǎn)生氨。
組裝式N2 / N2燃料電池：碳紙電極插入燃料電池的陽極(左)和陰極(右)室。
電子通過電路從陽極移動到陰極。質(zhì)子(氧化的氫原子)穿過陽極室和陰極室之間的隔膜，提供合成氨所需的氫原子。
電子的定向運(yùn)動產(chǎn)生了電流--這就是該合成氨方法產(chǎn)生電力的來源。
工業(yè)化難題
敏特爾與彌爾頓有意將他們的小規(guī)模合成氨工藝進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，但這一行動還面臨著幾個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先是固氮酶對氧氣極度的敏感。其次則是化學(xué)合成中難以獲取的ATP(三磷酸腺苷)，它為細(xì)胞以及生物固氮的過程提供能量。彌爾頓說，我們將重新設(shè)計這一反應(yīng)，以避免使用ATP，進(jìn)而使這種燃料電池“步入一個新階段”。
但不管目前還怎樣，這項(xiàng)工作最為顯著的意義在于：與以往以大規(guī)模能量投入為特色的工業(yè)合成氨生產(chǎn)工藝截然不同，這種新工藝能以十分節(jié)能的方式實(shí)現(xiàn)氨的合成。
