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《自然》杂志发表的一篇论文揭示:金刚石表面特殊纳米膜层处理后,沉浸在水中,仍具有水下发射电子的能力。这一研究成果,将为合成氨行业节能降耗带来一缕希望。
看似简单的合成氨放热反应式:N2 + 3H2 = 2NH3– 92kj,百年来引无数化学英雄竞折腰。
桀骜的氮气分子N2,强大的3键离解能高达942kj/mol, 是所有共价键中最难啃的硬“骨头”。尽管空气的78%是氮气,但老天爷也要靠天打雷劈,才能将离子化的氮素,经雨水输送到土壤。
延续近百年的Haber商业制氨法,反应条件要求温度达到500摄氏度,压力300大气压左右,使得每吨氨的能耗高达40GJ(吉焦)。至今这一方法尚无取代的迹象。
从某种意义上说,构成人体蛋白质的氮元素的大部分,来自哈伯法生产。假设没有哈伯法,现今60亿的地球人口,至少要削减一半以上。解决好了合成氨的节能降耗,地球还可以养活更多的人口。否则维持现状,国家就算彻底取消计划生育政策,人口数也难以增加。
该新技术依托紫外光催化原理,激发金刚石表面的电子发射,将灌入水中的难溶氮气,直接在酸性水溶液中,将其打散成氮离子,并将质子(氢离子)粘贴到氮离子上生成氨分子!整个反应过程常温常压,且氢元素直接来自水中,不用到化石燃料中去抠。厉害吧?
金刚石上飞出的电子直接在水中驰骋,这一现象彻底颠覆了“电子不下水,离子不上岸”的公认规则。
从此要建立几个新概念:电子可以溶解于水;氮气可以离子化溶解于水;氢气也可以离子化溶解于水;etc。。。
注意:另一个专业术语“电泳”,并不是指电子在水中裸泳,而是指的带电胶体。
这一方法要走出实验室,还有一段漫长的路要走,但其工业化前景值得期待!
哈伯因发明合成氨法,获得1918年诺贝尔奖。我坚信:如果下一个经得起商业化检验的、常温常压下的合成氨新法问世,也一定可以获得诺贝尔奖。
参考文献:
1、Photo-illuminated diamond as a solid-state source of solvated electrons in water for nitrogen reduction
http://www.nature.com/nmat/journal/v12/n9/full/nmat3696.html
2、哈伯制氨法 http://baike.baidu.com/view/1156055.htm
3、Haber process http://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process
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GMT+8, 2024-10-19 22:12
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