化学家发现了利用氨能量的新方法

诸平

据美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin–Madison简称UW–Madison）2021 年 11 月 11 日 提供的消息，该校的一个研究小组已经发现了一种将氨转化为氮气的新方法，这可能是氨取代碳基燃料的一个步骤。

这项技术使用金属催化剂，释放而不是需要能量，这项发现于2021年11月8日已经在的《自然化学》（Nature Chemistry）杂志发表——Michael J. Trenerry, Christian M. Wallen, Tristan R. Brown, Sungho V. Park, John F. Berry. Spontaneous N2 formation by a diruthenium complex enables electrocatalytic and aerobic oxidation of ammonia. Nature Chemistry (2021). DOI: 10.1038/s41557-021-00797-w. Published: 08 November 2021.，并获得了威斯康星州校友研究基金会（Wisconsin Alumni Research Foundation）的临时专利。

这篇论文的作者之一、威斯康星大学麦迪逊分校（UW–Madison）化学家约翰·贝里(John Berry)实验室的前博士后研究员克里斯蒂安·瓦伦(Christian Wallen)解释说：“目前世界是靠碳燃料经济运行的。这不是一个伟大的经济，因为我们燃烧碳氢化合物，释放二氧化碳到大气中。我们没有办法关闭真正的碳循环，使二氧化碳重新变成有用的燃料。”

为了实现联合国设定的到 2050 年世界实现碳中和的目标，科学家们必须考虑以对环境负责的方式从碳以外的元素中产生能量，而威斯康星大学麦迪逊分校的团队正在提议一种基于氮和氨互变的氮能源经济。

科学家们兴奋地发现，将氨添加到含有类铂元素钌的金属催化剂中会自发产生氮，这意味着不需要额外的能量。相反，这个过程可以用质子来发电，而且副产品是氮气。此外，金属络合物可以通过暴露在氧气中回收并重复使用，这比使用碳基燃料要清洁得多。

“我们发现，我们不仅在制造氮，而且是在完全前所未有的条件下制造氮，”莱斯特·麦克纳尔化学教授（Lester McNall Professor of Chemistry）约翰·贝里（John Berry）说，他的研究重点是过渡金属化学。“能够在环境条件下完成氨到氮的反应——并获得能量——是一件非常重要的事情。”

多年来，氨一直被用作燃料来源。在第二次世界大战期间，它被用于汽车，今天的科学家正在考虑在发动机中燃烧它以替代汽油的方法，特别是在海运业中。然而，燃烧氨会释放有毒的氮氧化物气体。新反应避免了那些有毒副产物。如果反应在燃料电池中发生，氨和电极表面的钌发生反应，它就可以在不需要催化转化器的情况下清洁地发电。

克里斯蒂安·沃伦（Christian Wallen）说：“对于燃料电池，我们想要的是电输出，而不是输入。我们发现了在室温下催化氨转化为氮气的化合物，无需施加任何电压或添加化学品。据我们所知，这是第一个过程。”

该论文的作者、研究生迈克尔·特伦里 (Michael Trenerry) 说：“我们已经建立了用于分配氨的基础设施，在哈伯-博世过程（Haber-Bosch process）中，氨已经由氮气和氢气大量生产。这项技术可以实现无碳燃料经济，但这只是难题的一半。氨合成的缺点之一是我们用来制造氨的氢气来自天然气和化石燃料。”

然而，这种趋势正在改变，因为氨生产商试图生产绿色氨，其中的氢原子是由碳中性水电解提供，而不是能源密集型的哈伯-博世过程。

根据约翰·贝里的说法，随着氨合成的挑战得到解决，将氨作为一种通用能源或燃料将会有很多好处。它像丙烷一样可压缩，便于运输和储存。尽管已经有一些氨燃料电池存在，但与这种新工艺不同的是，它们需要额外的能量，例如，先将氨分解成氮和氢。

该研究组的下一步计划是，研究利用新发现的燃料电池的设计方法，并考虑以环保的方式制造所需的原料。

迈克尔·特伦里说：“我想要思考的下一个挑战是如何从水中产生氨，而不是氢气。梦想是以水、空气和阳光来创造一种燃料。”

这项工作得到了美国能源部（U.S. Department of Energy.）的支持。上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The electrochemical conversion of ammonia to dinitrogen in a direct ammonia fuel cell (DAFC) is a necessary technology for the realization of a nitrogen economy. Previous efforts to catalyse this reaction with molecular complexes required the addition of exogenous oxidizing reagents or application of potentials greater than the thermodynamic potential for the oxygen reduction reaction—the cathodic process of a DAFC. We report a stable metal–metal bonded diruthenium complex that spontaneously produces dinitrogen from ammonia under ambient conditions. The resulting reduced diruthenium material can be reoxidized with oxygen for subsequent reactions with ammonia, demonstrating its ability to spontaneously promote both half-reactions necessary for a DAFC. The diruthenium complex also acts as a redox mediator for the electrocatalytic oxidation of ammonia to dinitrogen at potentials as low as −255 mV versus Fc^0/+ and operates below the oxygen reduction reaction potential in alkaline conditions, thus achieving a thermodynamic viability relevant for the future development of DAFCs.