Karşı cins birbirini çeker, böylece nitrojen fiksasyonu "yalnız" olmaz.
Sincan ve Çinghay'ın birleştiği yerde uzun ve dar bir vadi var, yerel çobanlar buna "Şeytan Vadisi" diyor. Bunun nedeni, orada daha fazla "sihir" olması, vadide genellikle şimşek ve gök gürültüsü, şiddetli rüzgarlar ve insanlar ve hayvanlar sık sık yıldırım çarpmasıdır. Ancak garip olan şey, vadinin tüm yıl boyunca bitki örtüsü ve baharla dolu olmasıdır.
Garip bir şey olsa da bilimsel ilkelerle açıklanabilir. Bir atasözü duymuş olabilirsiniz: "Fırtınalar ekinlere neden olur", yani gök gürültüsü toprağa değerli besinleri getirir ve ekinleri besler. Özellikle şimşek çakmaları sırasında, yıldırımın katalizine bağlı olarak havadaki oksijen nitrojen ile reaksiyona girerek nitrojen oksitler oluşturur, nitrojen oksitler yağmurla buluşarak nitrik asit oluşturur ve nitrik asit topraktaki minerallerle reaksiyona girerek nitrik asit oluşturur. Tuz ve nitrat, mahsulün büyümesi için gübre olarak kullanılabilir.
Şekil 1 "Fırtına mahsul gönderir" (İnternetten alınan resim)
"Gökten düşen" bu değerli gübrelerin hepsi tanıdık bir element-nitrojenden elde edilir. Nitrojenin her yerde olduğunu biliyoruz, örneğin havadaki nitrojen% 78'tir. Ancak nitrojendeki nitrojen elementi bitkiler tarafından doğrudan kullanılamaz ve bu serbest nitrojen elementlerinin kullanılabilir nitrojen içeren bileşiklere dönüştürülmesi gerekir. Bu işleme "nitrojen fiksasyonu" denir.
Şekil 2 Doğada azot döngüsü (İnternetten alınan resim)
Doğal nitrojen fiksasyonu: şimşek veya mikropların yardımıyla
Azot fiksasyonu, doğal nitrojen fiksasyonu ve yapay azot fiksasyonu olarak ikiye ayrılır. Doğal nitrojen fiksasyonu, yüksek enerjili nitrojen fiksasyonu ve biyolojik nitrojen fiksasyonu olmak üzere iki türe ayrılabilir.
Yüksek enerjili nitrojen fiksasyonu makalenin başında bahsedilen "fırtına üreten mahsuller" dir.Atmosferdeki azotu nitrat gübresine dönüştürmek için yıldırımın büyük enerjisini kullanır.
Biyolojik nitrojen fiksasyonu, nitrojen sabitleyen mikroorganizmaların yardımına dayanır. Örneğin, baklagillerin rizobisi, otların ve diğer otların köklerindeki nitrojen bağlayıcı helikobakter ve bazı düşük prokaryotik bitkiler "azotu sabitleyebilen" enzimler içerir. Bu enzimler atmosferdeki nitrojen moleküllerini emerek amonyak ve amonyum iyonlarına dönüştürebilir.
Şekil 3 Biyolojik nitrojen fiksasyonu (İnternetten alınan resim)
Geleneksel endüstriyel sentetik amonyak çok fazla enerji tüketir
Ancak, doğal nitrojen fiksasyonunun etkinliği düşüktür ve nüfus artışı ve sosyal kalkınma ihtiyaçlarını karşılamaktan uzaktır. Bu nedenle bilim adamları yüzlerce yıldır araştırıyorlar ve yapay nitrojen fiksasyonu 20. yüzyılın başlarına kadar keşfedilmedi. Alman kimyager Haber, amonyağı ilk kez sentezlemek için hidrojen ve nitrojeni kullandı ve nitrojen gübresinin büyük ölçekli endüstriyel sentezinin temelini attı. 1918'de Hubble bunun için Nobel Kimya Ödülü'nü kazandı.
Şekil 4 Hubble (İnternetten alınan resim)
Yapay azot fiksasyonunda en çok kullanılan yöntem endüstriyel sentetik amonyak yöntemi, yani "Haber-Bosch yöntemi" dir. Bununla birlikte, bu yöntemin reaksiyon koşullarının yüksek sıcaklıkta ve yüksek basınçta gerçekleştirilmesi gerekir ve bir katalizör gereklidir. Bu işlem çok fazla enerji tüketir ve ortalama yıllık enerji tüketimi dünyanın toplam enerji tüketiminin yaklaşık% 1 ila 2'sini oluşturur. Dahası, bu yöntem hammadde olarak yüksek saflıkta hidrojen gerektirir ve yüksek saflıkta hidrojen genellikle fosil yakıtlardan dönüştürülür.İşlem, küresel sera gazı emisyonlarının yaklaşık% 1,5'ini oluşturan büyük miktarda karbondioksit sera gazı salacaktır.
Elektrokimyasal nitrojen fiksasyonu: katalizörler önemlidir
Peki, geleneksel endüstriyel sentetik amonyak teknolojisinin yerini alacak temiz, verimli ve sürdürülebilir bir yöntem var mı? Sahip olmak! Elektrokatalitik nitrojen fiksasyonu. Elektrokatalitik nitrojen fiksasyonu teorik olarak normal sıcaklık ve basınç altında amonyak sentezine ulaşabilir ve hammadde olarak su ve nitrojeni kullanır.Sanayi amonyak sentezinin yerini alacak en umut verici teknolojilerden biri olarak kabul edilir.
Şekil 5 Elektrokatalitik nitrojen fiksasyonu (literatürden resim: Electrochimica Açta, 2018, 284: 392-399.)
Ancak çok erken yaşta mutlu olmayın, teoriden pratiğe geçiş o kadar düzgün değil. Elektrokimyasal nitrojen fiksasyonunun karşılaştığı ana zorluklardan biri, verimliliğin çok düşük olmasıdır. Nitrojenin normal sıcaklık ve basınçta aktive edilmesi zordur ve nitrojen ile hidrojen arasındaki reaksiyonun kinetiğini yürütmek zordur ve elektrokatalitik hidrojen üretimi ve nitrojen indirgeme potansiyelleri çok yakındır.Rekabetçi bir reaksiyon olarak elektrokatalitik hidrojen üretimi, amonyak üretmek için azot indirgemesini ciddi şekilde kısıtlayacaktır. s verimliliği. Bu nedenle, nitrojen aktivasyonu ve hidrojen üretiminin rekabetçi reaksiyonunu hesaba katan ve dengeleyen bir elektrokimyasal nitrojen fiksasyon katalizörü bulmak özellikle önemlidir.
Doğru katalizörle tüm sorunlar kolayca çözülebilir mi? Nasıl bu kadar basit olabilir! Molibden disülfür iyi bir katalizördür. Bununla birlikte, elektrokatalitik nitrojen indirgemesindeki etkinliği hala çok düşüktür, çünkü esas olarak katalitik hidrojen üretimi reaksiyon aktivitesi, nitrojen indirgeme reaksiyonu aktivitesini açıkça inhibe edecektir.
Şekil 6 Rekabetçi yanıt (İnternetten resim)
Karşı cins birbirini çeker ve katalizör "eşleşir"
Son zamanlarda, Katı Hal Fiziği Enstitüsü, Hefei Malzeme Bilimi Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, bir katalizör olarak molibden disülfür üzerinde araştırma yaptı.
Molibden disülfür, esas olarak içindeki sülfür bölgeleri nedeniyle hidrojen aktivitesi üretebilir. Araştırmacılar, sülfür sahasının hidrojen üretim aktivitesini bastırmak için bir yöntem kullanılırsa, rekabetçi reaksiyonun nitrojen fiksasyon reaksiyonuna doğru önyargılı olabileceğini hayal ediyorlar. Nasıl bastırılır? Belki de "aynı cinsin birbirini itmesi ve karşı cinsin birbirini çekmesi" yaklaşımını düşünebiliriz.
Molibden disülfürdeki kükürt bölgesi negatif yüklüdür ve araştırmacılar onu "eşleştirmek" için pozitif yüklü lityum içeren bir elektrolit seçerler. Lityum içeren elektrolit, molibden disülfitin sülfür bölgeleri ile güçlü bir lityum-sülfür etkileşimi oluşturur; bu, sadece sülfür bölgelerinin hidrojen üretim aktivitesini engellemekle kalmaz, aynı zamanda molibden disülfür bölgelerinin nitrojeni adsorbe etme ve aktive etme kabiliyetini de geliştirir. "Eşleştirilmemiş" elektrokatalitik nitrojen indirgeme reaksiyon sistemi ile karşılaştırıldığında, amonyak üretim verimi ve Faraday verimi sırasıyla 8 kat ve 18 kat artar, bu da molibden disülfür katalizörünün elektrokatalitik amonyak üretim performansını büyük ölçüde geliştirir.
Şekil 7 Katalizör sentezi, morfoloji karakterizasyonu, performans testi vb.
Bu araştırma çalışması, elektrokatalitik amonyak üretiminin verimliliğini büyük ölçüde iyileştirmek için elektrolit ve katalizör arasındaki etkileşimi kullanır ve normal sıcaklık ve basınç altında elektrokatalitik amonyak sentez teknolojisinin gelecekteki gelişimi için yeni fikirler ve fikirler sağlar. Araştırma sonuçları "Advanced Energy Materials" dergisinde yayınlandı. (Adv. Energy Mater.2019, DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.201803935)
Kaynak: Hefei Malzeme Bilimi Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
İpuçları: Yakın zamanda WeChat resmi hesap bilgi akışı revize edildi. Her kullanıcı, büyük kartlar şeklinde görüntülenecek olan sık okuma abonelik numaralarını ayarlayabilir. Bu nedenle, "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" makalesini kaçırmak istemiyorsanız, şunları yapmalısınız: "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" genel hesabına girin sağ üst köşedeki menüyü tıklayın "Yıldız Olarak Ayarla" yı seçin
