我們在地球上生活在氮氣海洋的底部。我們採取的每種呼吸近80％是氮氣，該元素是建築物塊的重要組成部分。氮對蛋白質的骨幹至關重要，形成壽命懸掛在我們的細胞中的肌肉懸垂並催化細胞中的無數反應，並在核酸中編碼構建這些生物聚合物的信息，本身富含氮的分子。

然而，在其豐富的氣態形狀中，氮仍然直接不可用，以更高的壽命，不可用的惰性和不能反應。我們必須從幾種物種中汲取我們的重要供給，這些物種已經學習了將大氣氮的生物化學牽引成更具反應性化合物，如氨。或者至少直到最近，當我們物種的幾個特別聰明的成員發現一種方法使用現在稱為Haber-Bosch工藝的化學和工程的組合來從空氣中拉出氮。

Haber-Bosch已經瘋狂地成功，並且由於利用其含氮產量施肥的作物，直接負責1900年的十億人口從1900億人口增長到近80億人口。完全50％的氮在你的身體中可能來自一個哈斯克博士反應堆，所以我們都非常完全取決於我們的生活。儘管如此，作為Haber-Bosch的奇蹟是，它並非沒有其問題，特別是在這個DWOWLING供應的這個時代需要運行它。在這裡，我們將深入潛入Haber-Bosch，我們還將看看未來可能脫碳我們的氮固定行業的方法。

易於找到，難以使用

必須有更好的方法。鳥糞礦業曾經是少數肥料來源之一。資料來源：神秘海港博物館
氮問題的核心問題，以及為什麼氨的產生是必要的，因此能量密集型，源於元素本身的性質，特別是它與其種類的其他人強烈粘合的趨勢。氮氣具有三個未配對的電子可用於粘合，並且導致構成我們大部分大部分大部分大部分大氣的抗原始氮的三鍵非常難以破裂。

這些三鍵是使氣態氮如此惰性的原因，但它也為需要元素氮以存活的生物產生問題。通過氮固定方法，自然已經發現了許多黑客攻擊該問題，該方法使用酶作為催化劑將矽藻氮轉化成氨或其他含氮化合物。

氮素固定的微生物使氮氣生成的食物鏈上下生物可利用，並且對於大多數人類歷史，自然過程是獲得作物施肥所需的氮的唯一方法。含氮化合物的沉積物的礦床，例如牡蠣和鳥糞的鳥糞形式，曾經是農業和工業的硝酸鹽的主要來源。

但這種沉積物在範圍內相對罕見，有限，導致在餵養快速擴大的世界人口方面的問題，並為他們提供增加的生活水平所需的產品。這位LED化學家尋找將大氣氮的大量儲量轉變為可用的氨，從19世紀末開始。雖然有幾個成功的競爭者，德國化學家Fricz Haber的實驗室證明從空氣中製作氨成為事實上的過程;一旦通過化學家和工程師Carl Bosch縮放和工業化，Haber-Bosch進程就出生了。

在壓力之下

Haber-Bosch Process的簡單化學掩蓋了其複雜性，特別是在工業尺度的開展時。整體反應使其看起來非常簡單 – 一點氮，一點氫，你有氨：

但問題位於N2分子中的上述三鍵，以及在等式中的雙頭箭頭。這意味著反應可以兩種方式，並且取決於反應條件如壓力和溫度，其實際上更容易逆轉，氨分解回氮和氫氣。推動對氨的產生的反應是訣竅，因為提供了在大氣中分解矽藻氮的能量所需的能量。另一個訣竅是提供足夠的氫氣，在我們的大氣中沒有特別豐富的元素。

為了實現所有這些目標，Haber-Bosch的過程依賴於熱量和壓力 – 每一次。通過天然氣的蒸汽重整或甲烷的蒸汽改造開始，該過程開始於氫氣生產：

蒸汽改造作為連續過程發生，其中天然氣和過熱蒸汽被泵入含有鎳催化劑的反應室。第一重整器過程的輸出進一步反應以除去一氧化碳和未反應的甲烷，並擦洗任何含硫化合物和二氧化碳，直至沒有留下氮和氫氣。

然後將兩個飼料氣體泵入重壁反應室中，以三個氫分子與每個氮分子的比率。反應器容器必須非常堅固，因為驅動到完成反應的最佳條件是450℃的溫度和大氣300倍的壓力。反應的關鍵是反應器內的催化劑，其中大部分基於粉末鐵。催化劑允許氮氣和氫結合成氨，通過將其冷凝成液態除去。

Haber-Bosch的方便的事情是博世帶到了表格：可擴展性。氨植物可以是巨大的，通常與其他使用氨作為原料的其他化學設備共同定位。 Haber-Bosch工藝產生的約80％的氨是農業用途，可直接用作土壤作為液體，或製造粒化肥料。氨也是數百種其他產品的成分，從紡織品到染料中的炸藥，2018年在全球範圍內產生超過2.3億噸的曲調。

HABER-BOSCH過程的示意圖。來源：由Palma等，CC-by
更清潔和更環保？

在使用甲烷作為原料和燃料的使用之間，Haber-Bosch是一種從環境角度的一個非常臟的過程。全球，Haber-Bosch消耗了近5％的天然氣生產，負責世界總能源供應的約2％。然後，該過程產生的二氧化碳;雖然很多是捕獲並被銷售為一個有用的副產品，但氨生產在2010年產生了4.5億噸二氧化碳，或約佔全球排放總排放的1％。補充說，像50％的食品生產一樣絕對依賴氨，你已經獲得了脫碳的成熟目標。

將Haber-Bosch Off氨基座的一種方法是利用電解過程。在最簡單的情況下，電解可用於從水而不是甲烷中產生氫原料。雖然可能需要天然氣來產生氨合成所需的壓力和溫度，但這至少可以消除甲烷作為原料。如果電解細胞可以由風或太陽能等可再生源供電，這種混合方法可以長時間地清理Haber-Bosch。

但有些研究人員正在尋找一個完全電解過程，使氨生產比混合方法更加綠色。在最近的一篇論文中，澳大利亞蒙納士大學的團隊詳細說明了一種使用與鋰電池中的化學相似的電解過程，以完全不同的方式製造氨，其中可能消除Haber-Bosch的大多數髒髒方面。

該方法採用小電化學電池中的含鋰電解質;當電流施加到電池時，溶解在電解質中的大氣氮與鋰結合在細胞的陰極處使氮化鋰（Li3N）製成氮化鋰（Li3N）。氮化鋰看起來很像氨，三種鋰原子駐留在三個氫，以及一種像腳手架一樣的作用，在其上形成氨。剩下的是用氫氣取代鋰原子 – 比完成更容易的鞋子。

該過程的秘訣在於一類稱為鏻的化學品，其在中心具有帶正電荷的分子。蒙納士隊使用的鏻鹽證明是有效的，在將質子從電池的陽極攜帶到氮化鋰，這易於接受捐贈。但是，他們還發現鏻分子可以再次通過該過程，在陽極拾取質子並將其遞送到陰極處的氮化鋰。以這種方式，氮化鋰中的所有三個鋰原子用氫代替，導致室溫下產生的氨，沒有甲烷作為原料。蒙納士進程似乎很有希望。在實驗室條件下的20小時測試中，每平方厘米的電極表面產生53納米氨氨氨酸，電氣效率為69％。

如果該方法可以證明，它對Haber-Bosch有很多優勢。其中的主要原因是缺乏高度的氣溫和壓力，以及整個東西可能潛在的東西潛在的東西，而是可以再生能力。這也可能是較小，分佈的氨生產的關鍵;氨生產而不是依靠相對較少的集中工業廠，可能是潛在的小型化，並將其越來越接近使用點。

當然，有很多障礙克服蒙納士過程。依靠L.在一個世界上的鋰電圖中的電解質已經伸展鋰電池的極限似乎脆弱，並且鋰挖掘的事實嚴重依賴化石燃料，至少暫時，玷污了電解的綠色潛力 氨也是如此。 儘管如此，這是一個令人興奮的發展，也可以讓世界餵養並以清潔，更環保的方式燃燒。