新的生产方法以更可持续的方式制造重要的肥料元素

尿素是从肥料到护肤品的各种物质中的重要元素。尿素的大规模生产自然是人类尿液的产物，是一项艰巨的任务，约占当今全球能源使用和排放量的 2%。

几十年来，随着对肥料的需求随着人口的增加而增长，科学家和工程师一直试图使这一过程更加节能。一个由德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家和工程师组成的国际研究团队设计了一种新的尿素制造方法，该方法比当今的工艺更环保，并且其产量足以与能源密集型工业方法竞争。

今天的尿素制造涉及两步热工艺，需要在受控的恶劣环境下提供高水平的热量和压力。但是这个新过程只需要一个步骤，并依赖于一种称为电催化的概念，该概念使用电(可能还有阳光)在室温和环境条件下的溶液中触发化学反应。

“在世界范围内，我们需要降低排放。这就是为什么我们想要开发这些更可持续的途径来使用电催化而不是这种能源密集型的两步法生产尿素，”科克雷尔大学材料科学副教授 Guihua Yu 说。工程学院沃克机械工程系共同领导的团队在Nature Sustainability 上发表了关于该过程的新里程碑论文。

今天，合成尿素主要通过 Haber-Bosch 方法生产——它被称为 20 世纪最伟大的发明之一，因为它实现了化肥的大规模生产并帮助增加了全球粮食供应。它结合氮和氢产生氨，然后与二氧化碳结合产生尿素。这个两步过程需要加热到 400 或 500 华氏度来进行反应，在此过程中会消耗大量能源并产生大量排放物。

通过电催化生产尿素是一种更具可持续性和能源效率的替代工艺。然而，从历史上看，这种方法的产量不足以使其可行。它产生了太多的副产品，需要大量的能量来破坏分子结构单元的键以触发反应。

寻找合适的元素或催化剂以产生有效的化学反应是主要挑战。UT 团队使用硝酸盐而不是典型的氮来与二氧化碳结合。催化剂溶液由氢氧化铟纳米材料组成。

Yu 说，这种高效的纳米材料电催化剂具有“高选择性”，这意味着它只生产研究人员希望它生产的产品，而不是一堆副产品。与之前使用电催化的尝试相比，它产生了更高的尿素产量。

“与氮相比，打破硝酸盐键所需的能量要少得多，这有助于产生更高的尿素产量，”于说。

Yu 认为这个公式适用于大规模和小规模用途。电催化装置可以由个人操作并出售给各个农场，这样他们就可以为土壤生产自己的尿素。希望为大规模工业过程提供替代解决方案以减少能源使用，随着人口和尿素需求肯定会增长，这可以在更可持续的未来发挥作用。

该过程的下一步包括进一步提高产量和选择性，以及可以扩大生产规模的原型设备。研究小组正试图找到一种使用太阳能而不是直接电力为该过程供电的方法。

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