“纳米星球”液态金属催化剂可以终止碳排放的主要来源

一个世纪以来，我们一直在以同样的方式进行最重要的工业化学过程，而改变可能会在关键时刻到来。

生产镓铜液态金属催化剂可以更容易地养活世界，这非常容易，实验室研究人员只需使用手持式研钵和研杵就可以完成一个阶段的工作。

图片来源：Michael Quin，皇家墨尔本理工大学

当化学家想到一种更好的催化剂来制造氨时，他们决定同时尝试九种变化。事实证明这也没什么问题，因为他们期望的版本并没有发挥作用——但事实证明，其中一种可能性不大的替代方案非常成功，最终可能会减少相当于一个中等国家的碳排放量。

现代粮食生产依赖于氨化肥，如果没有氨化肥，数十亿人早就挨饿了。然而，哈伯-博世工艺是 100 多年前开发的一种用氮气和氢气生产氨的方法，它是一种能源密集型产品，需要高温和高压。氨生产造成的温室气体排放量约占世界温室气体排放量的 2%。这听起来可能没什么，直到你意识到它比德国——或者实际上是前五名之外的任何国家——而且距离所有航空旅行都不远。

当然，几十年来，寻找更好的方法一直是化学家的首要任务，但即使是看似有前途的解决方案，迄今为止也未能规模化。 2016 年左右，当液态金属催化剂开始被证明对其他反应有用时，包括资深作者、皇家墨尔本理工大学教授 Torben Daeneke 在内的一个团队认为，他们应该尝试一下城里最大的游戏。

Daeneke 告诉 Science-News.dev，他们； “首先使用镓，因为它熔点低、无毒且使用安全，使其成为汞的良好替代品。 ” 事实证明，单独的镓对于氨生产来说是一种很差的催化剂，但该团队有一种预感，用过渡金属掺杂它可能会效果更好。

该团队预计铁是最好的机会，因为它已经被证明可以作为氨催化剂，但也尝试了其他九种过渡金属进行比较。 Daeneke 告诉 Science-News.dev； “我们决定便宜一点，避开铂金等金属。 ” 这一选择使得任何产品都更容易推向市场，并有助于进一步扩大研究经费。

该团队没有理由认为铜会发挥作用，因为它作为氨催化剂缺乏成功，但将其纳入其中以完成任务。令他们惊讶的是，镓铁催化剂失败了，但镓铜可能正是世界所需要的。

托本在一份声明中说：“液态金属使我们能够以更动态的方式移动化学元素，使所有物质都到达界面并实现更有效的反应，这是催化的理想选择。”它们还可以避免因副反应而失活。 

Daeneke 向 Science-News.dev 解释说，副反应产物会粘附在传统催化剂上，并迅速降低其有效性，但对于液体版本来说； “他们没有什么可以抓住的。然而，Daeneke 补充说，现在越来越清楚的是，液态金属催化剂不仅是固态催化剂的更强大版本，而且是更强大的催化剂。它们也可能完全不同。这意味着有时即使固体版本不起作用，液体版本也能起作用。

当镓和铜在手持设备中研磨，然后暴露在 400°C (750°F) 的声波中时，会形成微小的液滴。研究小组将这些行星称为“纳米行星”，因为它们像地球一样，在液体外核和固体内核上有坚硬的外壳。当置于氢气和氮气的混合物中时，氢气首先去除氧化壳，产生少量水：然后开始形成氨。铜分解氢分子，而镓分解氮分子，使两者结合。

即使采用这种制备方法，镓铜液体催化剂也比目前使用的贵金属钌便宜得多，也更环保。 

更重要的是，与哈伯-博世工艺相比，该工艺使用的热量减少了 20%，压力减少了 98%，从而大幅减少了能源消耗和相关的碳排放。

Daeneke 告诉 Science-News.dev，该系统应该很容易广泛实施，因为它可以应用在现有的制氨设施中，几乎不需要做任何改变。然而，它也有可能用于较小的反应器，而哈伯-博世工艺在这些反应器中是不经济的。这可以让氨更多地在当地生产。 Daeneke 总部所在的澳大利亚最近，一艘运载硝酸铵的油轮发生事故，其一条主要高速公路被炸成碎片，因此减少运输需求可以提高安全性，并节省资金。

尽管存在所有危险，氨仍然比氢更容易运输，并且可以用作在可再生能源便宜的时间和地点生产的氢的存储机制。通过正确的流程，需求可能会增加。

找到一条低排放的氨生产途径非常重要，以至于化学家不仅仅从科幻电影中的邪恶机器人中获取灵感。这篇论文发表的同一版《自然催化》杂志上也有一篇关于使用E.大肠杆菌以达到相同的结果。