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用硼和啤酒还原氮:氮到铵的工业转化为农业提供了肥料
2020年09月30日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

人类依靠合成肥料中的铵作为食物。但是,由氮生产氨非常耗能,需要使用过渡金属。


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来自德国巴伐利亚州伍兹堡的朱利叶斯-马克西米利安大学(JMU)的研究人员现已实现了在室温和低压下将氮转化为铵的作用,而无需使用过渡金属中国化工网okmart.com。由JMU科学家Holger Braunschweig领导的一个研究组在“自然化学”杂志上对此进行了报道。


结合氮的新工具箱


氨的工业生产,即所谓的哈伯-博世(Haber-Bosch)工艺,需要高温和高压,据估计消耗了地球上所有能源的大约2%。该过程还依赖于过渡金属元素,相对重的和反应性原子。


2018年,布伦瑞克教授的团队报告了仅由较轻的非金属原子组成的分子对氮的结合和化学转化。一年后,他们使用类似的系统在实验室中演示了两个氮分子的首次结合,否则该反应只能在地球的高层大气和等离子条件下才能观察到。


这两个发现的关键是使用第五轻元素硼作为与氮结合的原子。“在发现了这两个发现之后,很明显,我们手上有了一个非常特殊的系统,”不伦瑞克说。


就加水


尽管它们的系统结合并转化了氮,但只有一半的拼图块就位。JMU教授解释说:“我们知道完成氮到氨的转化将是一个重大挑战,因为它需要一系列复杂的化学反应,而这些化学反应通常彼此不相容。”


突破来自最简单的试剂:样品中残留的痕量水足以促进顺序反应,使研究团队离目标铵离子仅一步之遥。后来发现,关键反应可以使用固体酸进行,从而使反应在单个反应瓶中依次在室温下进行。


用啤酒制铵


该团队意识到即使使用简单的试剂(例如水),该过程的酸化步骤似乎仍然有效,该团队使用本地酿制的维尔茨堡霍夫布拉啤酒重复了该反应。令他们高兴的是,他们能够检测到反应混合物中的铵前产物。


这项研究的博士后研究员马克·安德烈·莱加雷(Marc-AndréLégaré)博士解释说:“该实验在某种程度上有点有趣,但是它也显示了该系统对水和其他化合物的耐受性。” “将氮还原为氨是人类最重要的化学反应之一。毫无疑问,这是第一次使用啤酒进行,特别适合在德国进行!” 研究的合著者,Akademischer Oberrat的Rian Dewhurst博士说。


还有很多工作要做


该反应虽然令人兴奋,但仍远不是工业生产铵的真正可行的方法。理想地,将需要寻找一种重新形成活性物种的方法,以使过程能源高效且经济。


然而,这一发现是一个令人振奋的例证,表明较轻的元素甚至可以解决化学领域的最大挑战。霍尔格·布伦瑞克(Holger Braunschweig)说:“这里还有很多事情要做,但是硼和其他轻元素已经使我们惊讶了很多次。它们显然有能力做得更多。”


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