生产有助于养活地球 78 亿人口的肥料会带来环境成本——密歇根大学的工程师希望通过一种有利于阳光而不是化石燃料的新策略来减少环境成本。
美国国家科学基金会已授予 UM 研究人员 200 万美元，用于研究旨在减少温室气体排放的新氨生产工艺的有效性。由于该过程有助于分散化肥生产，该团队希望将该技术引入当地农业社区，通过减少运输要求进一步降低环境成本。
“随着我们世界人口的增长，问题变成了如何满足对更大粮食生产的需求，”密歇根大学詹姆斯和朱迪思街化学工程教授约翰内斯施万克说。“我们会建造更多目前为我们的肥料生产氨的大型工业工厂，还是有更可持续的方法来做到这一点?”
实现这一切的关键在于用太阳能抵消在氨生产催化过程中燃烧的化石燃料。目前的方法被称为 Haber-Bosch 过程，现在是工业化学过程中温室气体的最大贡献者——高达全球排放量的 2%。
Haber-Bosch 制造了当今肥料中使用的大部分氨。它利用由天然气产生的氢气，释放大量二氧化碳。此外，该过程需要氢气在高温高压反应器中与氮气反应，这些反应器也由燃烧化石燃料驱动。
密歇根大学的团队正在开创一种利用阳光能量的系统，减少对温度和压力的依赖，将氢和氮结合在一起。它将使用空气分离装置从空气中提取氮气，同时分解水分子以产生氢气。然后这些气体将在反应器内被压缩以在比 Haber-Bosch 所需的温度和压力低得多的温度和压力下产生氨。
U-M 过程中的每一步都由太阳能驱动，通过发电面板以及有助于促进光化学反应的新催化剂，称为光催化剂。
“我们希望利用阳光，但我们并没有在大多数光催化过程中使用的传统液相反应器中这样做，”密歇根大学机械工程副教授Neil Dasgupta说。“相反，我们在气相反应器中进行光催化。”
通过利用太阳能，与 Haber-Bosch 工艺相比，该团队的目标是将所需的压力降低 10 倍，这将显着减少所需的能量输入。
如果氨的生产可以通过这种方式充分缩小，研究人员希望将这项技术带给使用肥料的人——农业社区。作为为期四年的项目的一部分，UM 团队将制定一项培训计划，让当地农场能够生产自己的氨和肥料。
现场生产将减少运输化学品的需要。对于美国和其他长期存在粮食不安全问题的国家的偏远社区，这可能会产生巨大影响。
“这些社区不仅会接受我们为他们提供的技术，而且还会参与实施具有社会经济效益的可持续运营，”施万克说。“整个想法是将他们带到谈判桌上，以便他们最终能够从这个经济发展机会中受益。”
UM 教师团队包括化学工程助理教授 Andrej Lenert;Galen Fisher，化学工程兼职教授;Rebecca Hardin，自然资源副教授;和保罗克莱德，商业经济学和公共政策教授。
