解开 75 年的历史谜团,为农业肥料提供新的生产来源

2020-08-05    收藏487
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解开 75 年的历史谜团,为农业肥料提供新的生产来源

解开一个具 75 年历史的谜团,可能有助于发展中国家农民利用阳光和空气中的氮气,生产耕种所需的肥料。

乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员,靠着劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的专业 X 射线源技术,证实氮和二氧化钛(TiO2)在光线照射下的交互作用。他们认为催化反应是利用二氧化钛上污染到的碳原子来进行。

如果可以扩大固氮反应(nitrogen-fixing reaction),有朝一日可以助于驱动农场规模的肥料生产,进而减少对需投入大量资本的生产设施,以及昂贵配送系统的依赖,降低位于偏远地区农民的成本。目前世界大部分肥料使用的氨(ammonia)都是用哈伯法(Haber-Bosch process)製成,这需要大量天然气。

注:哈伯法是透过氮气及氢气在 200 大气压及摄氏 400 度,且用铁化合物(Fe3+)为催化剂的条件下,产生氨气(NH3)的过程。

「在美国,我们有杰出的肥料生产和分配系统。然而,许多国家无法负担建造哈伯工厂的费用,甚至可能没有足够的运输基础设施来进口化肥。对于这些地区,光催化固氮反应(photocatalytic nitrogen fixation)能依照即时需求来生产肥料很有助益。这可能是个替更广泛的农民提供肥料的低成本方法。」乔治亚伍德拉夫机械工程学院(Georgia Tech’s Woodruff School of Mechanical Engineering)助理教授 Marta Hatzell 说。

这项研究开始于两年多前,当时 Hatzell 和乔治亚化学与生物分子工程学院的助理教授 Andrew Medford 合作研究一种材料,该材料之谜起源于印度土壤科学家 Seshacharyulu Dhar 于 1941 年发表的论文。论文指出,经过光照后,堆肥释放的氨增加。Dhar 认为,堆肥中某种矿物质催化的光反应可能是产生氨的原因。

解开 75 年的历史谜团,为农业肥料提供新的生产来源

实验室的专业设备让 Hatzell 和研究生 Yu-Hsuan Liu 能使用 X 射线光电子光谱学(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)检测二氧化钛的表面。X 射线光电子能谱学是一种表面化学分析技术,可用来分析金属材料在特定状态下或在一些加工处理后的表面化学。他们用该技术观察氮气、水和氧气分别在黑暗与光亮中,且均为接近​​环境压力的条件下,与二氧化钛表面的相互作用。起初在黑暗中,研究人员没有观察到光化学固氮的反应,但当光线被导向矿物表面时,他们观察到氮和二氧化钛之间的独特交互作用。

那最初得不出结果的原因是什幺呢?Hatzell 和 Medford 认为二氧化钛表面的碳污染是在二氧化钛上进行固氮催化过程的必要元素。碳的来源可能来自碳氢化合物(hydrocarbon)。「在测试之前,会先清洗样品表面以除去几乎所有碳痕迹,但实验过程中,各种来源(气体、真空室)的碳会将少量碳带回样品上。我们观察到的是,只有当样品存在一定程度的碳时,才会检测到消耗氮的物种。」Hatzell 说。

碳氢化合物污染假说(hydrocarbon contamination hypothesis)可以解释为什幺早期研究会有不一致的结果。二氧化钛上的碳总是少量存在,但正确的碳量可能是使假设反应起作用的关键。

「我们认为这解释了文献报导令人费解的结果,我们希望透过解开这个有 75 年历史的谜团,来得知如何设计出新的催化剂(catalyst)。」Medford 说。「一般来说,好的催化剂需要非常纯净的物质,在洁净的空间製造。然而这边的情况刚好相反,二氧化钛上的固氮反应需要杂质的存在,这能有助于农业发展的永续应用。」

研究人员希望透过在太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)即将进行的测试来证实碳扮演的角色,这将使他们能在光催化固氮的过程中直接探测碳,掌握碳在反应过程中的条件。他们还希望能更了解催化机制,以便更能控制反应,进而提高效率(目前还不到 1%)。

儘管目前该反应的氨产量还很低,但 Hatzell 和 Medford 认为,随着技术改进,良性条件下现场肥料生产的优势可克服这局限。

「从实际应用的角度来看,目前反应的产量或许听起来很荒唐。但如果注意到氮肥料的需要在发展中国家面临的问题,以及空气中的阳光和氮气是免费的事实,这个技术就变得很值得发展。」Medford 说。「如果架设一个小规模的氨生产设施,能为一个农场供应足够的量,就能发挥立即影响。」

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