利用氫化鋰常壓合成氨，廣島大學(xué)開(kāi)發(fā)成功有效控制技術(shù)

         廣島大學(xué)自然科學(xué)研究支援開(kāi)發(fā)中心的宮岡裕樹副教授與該校研究生院先進(jìn)理工系科學(xué)研究科的市川貴之教授等人組成的研究團(tuán)隊(duì)宣布，成功開(kāi)發(fā)出了利用氫化鋰（LiH）常壓合成氨的有效控制技術(shù)。該技術(shù)著眼于鋰的高氮解離能，通過(guò)不同于現(xiàn)有貴金屬催化工藝的多級(jí)化學(xué)反應(yīng)，成功地在常壓狀態(tài)下合成了氨。由于可以利用小規(guī)模設(shè)備合成，有望成為利用氫能實(shí)現(xiàn)脫碳社會(huì)的新型儲(chǔ)氫法。相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)布在國(guó)際科學(xué)期刊《The Journal of Physical Chemistry C》的2月2日號(hào)上。

小規(guī)模分散型NH₃的合成（圖片由廣島大學(xué)宮岡裕樹副教授提供）

       日本政府2020年10月宣布在2050年之前實(shí)現(xiàn)溫室氣體凈零排放的碳中和。2021年4月發(fā)表的第6次能源基本計(jì)劃著眼于碳中和時(shí)代，將氫定位為新資源之一，計(jì)劃推動(dòng)氨作為氫儲(chǔ)運(yùn)介質(zhì)的用途。

       氨（NH₃）的合成目前大都采用哈柏法，在約500℃和250個(gè)大氣壓以上的高溫高壓條件下進(jìn)行，適用于大規(guī)模生產(chǎn)化肥等。這種方法對(duì)于利用來(lái)自可再生能源這種分布不均的自然能源制氫而獲得剩余氫氣儲(chǔ)存和運(yùn)輸而言     成本太高，需要有能在低溫低壓條件下可控的小規(guī)模分散型NH₃合成技術(shù)。

       研究團(tuán)隊(duì)此前發(fā)現(xiàn)，鋰具有很高的氮解離能，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和公布了可在常壓下利用鋰合金合成氨的方法。

       研究團(tuán)隊(duì)此次著眼于鋰的高氮解離能，研究了通過(guò)與使用貴金屬催化劑的現(xiàn)有工藝不同的多級(jí)化學(xué)反應(yīng)回收LiH，同時(shí)合成NH₃的化學(xué)循環(huán)工藝。

       首先，為了了解及控制利用氫化鋰（LiH）以下面兩個(gè)步驟合成NH₃，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

　反應(yīng)①氮化反應(yīng)：4LiH＋N₂→2Li₂NH＋H₂

　反應(yīng)②NH₃合成/再生反應(yīng)：2Li₂NH＋4H₂→2NH₃＋4LiH

       實(shí)驗(yàn)使用尺寸為數(shù)毫米的粉末LiH，在0.1MPa（常壓）的條件下，即使加熱至500℃時(shí)的反應(yīng)率約為60％，保持20小時(shí)后也只有約80％。

       為調(diào)查原因，利用掃描電鏡觀察反應(yīng)①的反應(yīng)過(guò)程后發(fā)現(xiàn)，生成物與未反應(yīng)的樣本凝聚在一起。所以為了抑制凝聚，考慮添加化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)作為反應(yīng)場(chǎng)所，于是在反應(yīng)①的LiH中混合了Li₂O。

       隨著Li₂O作為反應(yīng)場(chǎng)所發(fā)揮作用，反應(yīng)速度提高，20分鐘內(nèi)反應(yīng)率達(dá)到100％。并且確認(rèn)抑制了凝聚。混合Li₂O后，反應(yīng)②的反應(yīng)速度也獲得了提升，實(shí)現(xiàn)了100％的反應(yīng)率。在反應(yīng)②中，加熱到260℃時(shí)就開(kāi)始生成NH₃，還確認(rèn)到再生出了LiH。

       該技術(shù)通過(guò)將氮?dú)夂蜌錃猹?dú)立導(dǎo)入反應(yīng)容器可以循環(huán)合成NH₃，因此能實(shí)現(xiàn)小型化。由于是發(fā)熱反應(yīng)，除初期的加熱外，在原理上被認(rèn)為可以自行反應(yīng)。

       今后將研究包括熱管理在內(nèi)的反應(yīng)過(guò)程控制，在實(shí)際環(huán)境中評(píng)估特性，并探索成本更低的Li₂O替代物質(zhì)等。該技術(shù)已經(jīng)取得專利，計(jì)劃1-2年內(nèi)確立技術(shù)。

         宮岡副教授表示：“化學(xué)循環(huán)技術(shù)有一個(gè)非常大的優(yōu)點(diǎn)是，與現(xiàn)有技術(shù)不同，無(wú)需將氮和氫同時(shí)放入容器中。在氮和氫的反應(yīng)時(shí)不斷切換合成氨作為控制技術(shù)而言是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。今后打算在熱管理的同時(shí)，研究應(yīng)該如何控制。”

英文論文 Accelerated ammonia synthesis holds promise for conversion of renewable energy

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            原文：《科學(xué)新聞》
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              翻譯編輯：JST客觀日本編輯部

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