mile米乐m6官网 开发出即使在氢气供应条件波动的情况下也能稳定合成氨的催化剂

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）能源过程研究部能源催化剂技术组，西昌康，高级研究员，陈思远，高级研究员，零排放国际合作研究中心，制氢与储存基础设施研究组，高木英幸，福岛可再生能源研究中心组长，难波哲也与研究中心副主任一起开发了一种新型催化剂适用于使用可再生能源发电产生的氢气合成氨。

这个催化剂是超级成长法产地单壁碳纳米管(SGCNT)负载钌(Ru)和铯(Cs)，即使在氨合成反应响应于氢供应波动而反复停止和重新启动的操作条件下也可以稳定地合成氨。另外，现有催化剂,常规方法平衡的高浓度氨。来自可再生能源的氢气产量根据天气条件而波动。该技术将有助于提高以氢气为原料、产量波动的氨合成工艺的效率。

这项研究的结果将于 2022 年 7 月 16 日公布为“催化杂志

氨分子中不含碳原子，即使燃烧也会产生二氧化碳₂，因此使用它作为燃料而不是化石资源的技术正在引起人们的关注。哈伯-博世法是传统的氨合成方法，使用铁催化剂，在400至600摄氏度和100至300个大气压的高温高压下，使化石资源产生的氢与大气中含有的氮反应来合成氨。这种方法在利用化石资源生产氢气时会产生大量二氧化碳。₂因此，正在开发利用从太阳能和风能等可再生能源获得的电力电解水产生的氢气和从空气中获得的氮气来合成氨的技术。

另一方面，可再生能源的发电量会根据天气条件而波动，因此使用该能源电解水产生的氢气量也会波动。因此，推测氨合成装置将根据氢气的供给量而停止和重新启动，并且需要能够响应反应条件的波动的氨合成催化剂。另外，为了减少氨合成反应所需的能量，需要开发一种能够在比传统方法更低的温度和压力下更有效地合成氨的催化剂。

AIST 在内阁府“战略创新创造计划 (SIP)”下的“能源载体（2014-2018 财年）”项目（主要研究机构：JGC 株式会社）中开发了一种可以在比传统方法更低的温度和压力条件下合成氨的催化剂，并进行了示范试验，利用 JGC 株式会社开发的工艺从可再生能源产生的氢合成氨（2018 年 5 月 28 日 AIST 新闻稿）。这次，我们致力于开发一种催化剂，该催化剂可以在低温低压条件下以比现有催化剂更高的浓度合成氨，以应对来自可再生能源的氢气的产量预计会波动。

此项研发的一部分得到了日本科学技术振兴机构委托的内阁府“战略创新创造计划 (SIP)”的“能源载体 (2014-2014)”项目以及日本学术振兴会科学研究补助金（青年科学家）22K14483 的支持。

研究小组使用活性炭介孔碳。这次，比表面积的SGCNT作为载体，Ru和Cs可以广泛分散在SGCNT表面，这导致了本报告中描述的催化剂的开发。该催化剂具有丰富的约2 nm Ru纳米粒子作为催化活性位点，Cs存在于Ru纳米粒子附近以促进氨合成反应。我们在反应器中填充催化剂，并进行了停止和重新启动氨合成反应的反复测试，这在使用来自可再生能源的氢气时是预期的。如图1所示，在380℃的温度和6至10个大气压的压力下向反应器供应氮气和氢气来合成氨。然后，将温度和压力降至室温和2个大气压，仅供应氮气以停止反应。当我们再次将条件返回到氨合成反应条件时，氨合成反应立即开始，并且在反应停止之前和之后催化剂性能没有恶化。此外，即使在140小时内重复这种停止和重新启动反应的过程总共7次后，氨浓度也几乎没有变化，这表明在长期波动条件下催化剂的性能没有变化，并且可以稳定地合成氨。

此外，图1中测试的催化剂为粉末形式，但工业上必须将其成型为丸状或球状。如图2所示，这种催化剂只需压缩即可制成颗粒。为了评估所制造的粒状催化剂的性能，将粒状催化剂装入反应器中，并在400摄氏度的温度和51个大气压的压力下供应氮气和氢气，团队成功合成了浓度比现有催化剂高15倍的氨。此外，在11至51 atm的压力范围内，氨合成活性极高，氨浓度达到接近平衡（图2左下）。此外，通过研究反应温度的影响，发现在 380 °C 和 51 atm 时氨浓度最大，这表明与传统方法相比，可以在更低的温度和压力下合成更高浓度的氨（图 2 右下）。

综上所述，SGCNT 负载钌和铯的催化剂具有在比传统方法更低的温度和压力下从可再生能源衍生的氢合成更高浓度氨的潜力。

*本新闻稿中的图 1 和图 2 摘自并修改自原始论文“A Super-growth Carbon Nanotubes-supported, Cs-promoted Ru Catalyst for 01–8 MPaG Ammonia Synthesis”。

未来我们将对催化剂结构和反应机理进行详细分析，根据所得结果对催化剂进行改进，进一步开发出能够在低温低压条件下合成氨的催化剂。

此外，由于SGCNT和催化剂金属钌价格昂贵，因此我们的目标是在未来开发更便宜的催化剂。

已出版的杂志：催化杂志
论文标题：用于 01–8 MPaG 氨合成的超生长碳纳米管支撑、Cs 促进的 Ru 催化剂
作者：Masayasu Nishi、Shih-Yuan Chen、Hiroyuki Tateno、Takehisa Mochizuki、Hideyuki Takagi、Tetsuya Nanba

超级成长法

AIST的Kenji Hatake博士及其同事于2004年开发的一种合成单壁碳纳米管的方法。这是一种利用化学气相沉积合成单壁碳纳米管的方法，与传统方法相比，可以在更短的时间内合成大量高纯度的单壁碳纳米管。[返回来源]

单壁碳纳米管

具有由碳原子组成的圆柱六方网络结构、直径约为05至5纳米（1纳米：十亿分之一米）的一维纳米材料。[返回来源]

现有催化剂

氧化铈负载钌催化剂（2018 年 AIST 新闻稿）。[返回来源]

常规方法

哈伯-博世方法。一种在400至600摄氏度、100至300个大气压的高温高压下由氮和氢合成氨的方法。[返回来源]

平衡

氨合成反应(N₂+3H₂⇄2NH₃)，正向反应（向右反应）和逆向反应（向左反应）的速率达到平衡，反应似乎停止了。[返回参考源]

介孔碳

具有2至50纳米细孔的碳材料。[返回来源]

比表面积

每单位质量的表面积。[返回来源]