解開 75 年的歷史謎團,為農業肥料提供新的生產來源

作者 | 發布日期 2018 年 12 月 22 日 7:30 | 分類 材料、設備 , 環境科學 , 自然科學 follow us in feedly

解開一個具 75 年歷史的謎團,可能有助於發展中國家農民利用陽光和空氣中的氮氣,生產耕種所需的肥料。



喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的研究人員,靠著勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的專業 X 射線源技術,證實氮和二氧化鈦(TiO2)在光線照射下的交互作用。他們認為催化反應是利用二氧化鈦上污染到的碳原子來進行。

如果可以擴大固氮反應(nitrogen-fixing reaction),有朝一日可以助於驅動農場規模的肥料生產,進而減少對需投入大量資本的生產設施,以及昂貴配送系統的依賴,降低位於偏遠地區農民的成本。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,這需要大量天然氣。

註:哈伯法是透過氮氣氫氣在 200 大氣壓及攝氏 400 度,且用鐵化合物(Fe3+)為催化劑的條件下,產生氨氣(NH3)的過程。

「在美國,我們有傑出的肥料生產和分配系統。然而,許多國家無法負擔建造哈伯工廠的費用,甚至可能沒有足夠的運輸基礎設施來進口化肥。對於這些地區,光催化固氮反應(photocatalytic nitrogen fixation)能依照即時需求來生產肥料很有助益。這可能是個替更廣泛的農民提供肥料的低成本方法。」喬治亞伍德拉夫機械工程學院(Georgia Tech’s Woodruff School of Mechanical Engineering)助理教授 Marta Hatzell 說。

這項研究開始於兩年多前,當時 Hatzell 和喬治亞化學與生物分子工程學院的助理教授 Andrew Medford 合作研究一種材料,該材料之謎起源於印度土壤科學家 Seshacharyulu Dhar 於 1941 年發表的論文。論文指出,經過光照後,堆肥釋放的氨增加。Dhar 認為,堆肥中某種礦物質催化的光反應可能是產生氨的原因。

(Source:喬治亞理工學院

實驗室的專業設備讓 Hatzell 和研究生 Yu-Hsuan Liu 能使用 X 射線光電子光譜學(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)檢測二氧化鈦的表面。X 射線光電子能譜學是一種表面化學分析技術,可用來分析金屬材料在特定狀態下或在一些加工處理後的表面化學。他們用該技術觀察氮氣、水和氧氣分別在黑暗與光亮中,且均為接近​​環境壓力的條件下,與二氧化鈦表面的相互作用。起初在黑暗中,研究人員沒有觀察到光化學固氮的反應,但當光線被導向礦物表面時,他們觀察到氮和二氧化鈦之間的獨特交互作用。

那最初得不出結果的原因是什麼呢?Hatzell 和 Medford 認為二氧化鈦表面的碳污染是在二氧化鈦上進行固氮催化過程的必要元素。碳的來源可能來自碳氫化合物(hydrocarbon)。「在測試之前,會先清洗樣品表面以除去幾乎所有碳痕跡,但實驗過程中,各種來源(氣體、真空室)的碳會將少量碳帶回樣品上。我們觀察到的是,只有當樣品存在一定程度的碳時,才會檢測到消耗氮的物種。」Hatzell 說。

碳氫化合物污染假說(hydrocarbon contamination hypothesis)可以解釋為什麼早期研究會有不一致的結果。二氧化鈦上的碳總是少量存在,但正確的碳量可能是使假設反應起作用的關鍵。

「我們認為這解釋了文獻報導令人費解的結果,我們希望透過解開這個有 75 年歷史的謎團,來得知如何設計出新的催化劑(catalyst)。」Medford 說。「一般來說,好的催化劑需要非常純淨的物質,在潔淨的空間製造。然而這邊的情況剛好相反,二氧化鈦上的固氮反應需要雜質的存在,這能有助於農業發展的永續應用。」

研究人員希望透過在太平洋西北國家實驗室(Pacific Northwest National Laboratory,PNNL)即將進行的測試來證實碳扮演的角色,這將使他們能在光催化固氮的過程中直接探測碳,掌握碳在反應過程中的條件。他們還希望能更了解催化機制,以便更能控制反應,進而提高效率(目前還不到 1%)。

儘管目前該反應的氨產量還很低,但 Hatzell 和 Medford 認為,隨著技術改進,良性條件下現場肥料生產的優勢可克服這局限。

「從實際應用的角度來看,目前反應的產量或許聽起來很荒唐。但如果注意到氮肥料的需要在發展中國家面臨的問題,以及空氣中的陽光和氮氣是免費的事實,這個技術就變得很值得發展。」Medford 說。「如果架設一個小規模的氨生產設施,能為一個農場供應足夠的量,就能發揮立即影響。」

(首圖來源:pixabay