这幅图画说明了锂介导的N2到氨的转化。图为电沉积锂(黑色瓦片)上发生的一系列反应。在高压下，氮(添加蓝色块)在锂上化学吸附，然后质子化(添加白色块)形成NHx，最终产生氨，锂被回收。循环过程创造了一种产生氨的催化节奏。该研究强调了压力和电位在控制固-电解质界面结构和稳定性方面对氨合成的重要意义。来源:德克萨斯理工大学Crystal Price & Joseph Gauthier;Meenesh Singh，伊利诺伊大学芝加哥分校

在我们每天使用的许多化学物质中，氨是对大气最有害的化学物质之一。这种以氮为基础的化学品用于化肥、染料、炸药和许多其他产品，由于制造它需要高温和能源，其碳排放量仅次于水泥。

但是，通过改进一种众所周知的电化学反应，并精心安排锂、氮和氢原子的“交响乐”，由Meenesh Singh领导的伊利诺伊大学芝加哥分校的工程师们已经开发出一种新的氨生产工艺，满足了几个绿色目标。

这个过程被称为锂介导的氨合成，将氮气和供氢液体(如乙醇)与带电的锂电极结合在一起。氮原子附着在锂上，然后与氢结合形成氨分子，而不是在高温高压下分解氮气分子。

该反应在低温下进行，而且它是可再生的，在每个氨生产循环中都能恢复原始物质。

过程背后的科学

“这里有两个循环。一个是氢源的再生，第二个是锂的再生，”ucic化学工程副教授辛格说。“由于循环过程，这种反应中有一种交响乐。我们所做的就是以一种更好的方式理解这首交响曲，并尝试以一种非常有效的方式对其进行调制，这样我们就能产生共鸣，让它移动得更快。”

发表在ACS应用材料与界面杂志封面上的一篇论文描述了这一过程，这是Singh实验室在寻求更清洁的氨方面的最新创新。此前，他的团队开发了利用阳光和废水合成这种化学物质的方法，并创造了一种带电的铜网，减少了制造氨所需的能量。

他们的最新进展建立在一种几乎不新鲜的反应之上。科学家们已经知道它将近一个世纪了。

“锂基方法实际上可以在任何有机化学教科书中找到。这是众所周知的。”辛格说。“但让这个循环有效、有选择地运行，以达到经济上可行的目标，是我们的贡献。”

这些目标包括高能效和低成本。辛格说，如果扩大规模，该工艺生产氨的成本约为每吨450美元，比以前的锂基方法和其他拟议的绿色方法便宜60%。

但选择性也很重要，因为许多使氨生产更清洁的尝试最终产生了大量不需要的氢气。

Enviro政府效益和氢燃料潜力

辛格小组的研究结果是首批达到选择性和能源利用水平的研究之一，这些水平可以满足美国能源部对工业规模氨生产的标准。辛格还表示，这一过程可以在模块化反应堆中进行，如果使用太阳能电池板或其他可再生能源供电，并为反应提供空气和水，可以使其更加环保。

这个过程也可以帮助实现另一个能源目标——使用氢作为燃料。这一目标的实现一直受到运输这种高度易燃液体的困难的阻碍。

“你希望氢气能够被生产、运输并送到氢气泵站，在那里氢气可以被供应给汽车。但这非常危险。”“氨可以作为氢的载体。它非常便宜，运输安全，在目的地，你可以将氨转化为氢。”

目前，科学家们正在与通用氨公司合作，在芝加哥地区的一家工厂试验和扩大他们的锂介导氨合成工艺。UIC的技术管理办公室已经为该工艺申请了专利。

参考文献:“可扩展的节能锂介导氨合成途径”，由Nishithan C. Kani, Ishita Goyal, Joseph A. Gauthier, Windom Shields, Mitchell Shields和Meenesh R. Singh, 2024年3月20日，ACS应用材料与界面。DOI: 10.1021 / acsami.3c19499

该研究由通用氨公司资助。论文的共同作者是UIC的Nishithan C. Kani和Ishita Goyal，德克萨斯理工大学的Joseph A. Gauthier和通用氨公司的Windom Shields和Mitchell Shields。