廣島大學(xué)自然科學(xué)研究支援開發(fā)中心的宮岡裕樹副教授與該校研究生院先進理工系科學(xué)研究科的市川貴之教授等人組成的研究團隊宣布，成功開發(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，通過不同于現(xiàn)有貴金屬催化工藝的多級化學(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現(xiàn)脫碳社會的新型儲氫法。相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)布在國際科學(xué)期刊《The Journal of Physical Chemistry C》的2月2日號上。

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次能源基本計劃著眼于碳中和時代，將氫定位為新資源之一，計劃推動氨作為氫儲運介質(zhì)的用途。

       氨（NH₃）的合成目前大都采用哈柏法，在約500℃和250個大氣壓以上的高溫高壓條件下進行，適用于大規(guī)模生產(chǎn)化肥等。這種方法對于利用來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存和運輸而言     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)。

       研究團隊此前發(fā)現(xiàn)，鋰具有很高的氮解離能，并進一步開發(fā)和公布了可在常壓下利用鋰合金合成氨的方法。

       研究團隊此次著眼于鋰的高氮解離能，研究了通過與使用貴金屬催化劑的現(xiàn)有工藝不同的多級化學(xué)反應(yīng)回收LiH，同時合成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）以下面兩個步驟合成NH₃，研究團隊進行了實驗。

　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

       實驗使用尺寸為數(shù)毫米的粉末LiH，在0.1MPa（常壓）的條件下，即使加熱至500℃時的反應(yīng)率約為60％，保持20小時后也只有約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)場所，于是在反應(yīng)①的LiH中混合了Li₂O。

       隨著Li₂O作為反應(yīng)場所發(fā)揮作用，反應(yīng)速度提高，20分鐘內(nèi)反應(yīng)率達到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，實現(xiàn)了100％的反應(yīng)率。在反應(yīng)②中，加熱到260℃時就開始生成NH₃，還確認(rèn)到再生出了LiH。

       該技術(shù)通過將氮氣和氫氣獨立導(dǎo)入反應(yīng)容器可以循環(huán)合成NH₃，因此能實現(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)過程控制，在實際環(huán)境中評估特性，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)有一個非常大的優(yōu)點是，與現(xiàn)有技術(shù)不同，無需將氮和氫同時放入容器中。在氮和氫的反應(yīng)時不斷切換合成氨作為控制技術(shù)而言是一個優(yōu)點。今后打算在熱管理的同時，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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