脱碳新技术:一种更可持续的生产磷的方式

知新了了 2023-02-23 10:33:50

麻省理工学院的化学家们发现了一种减少生产白磷的碳足迹的方法,白磷是许多消费品的一种成分。

磷是数千种产品的基本成分,包括除草剂、锂离子电池,甚至软饮料。这些磷大部分来自一个能源密集型的过程,这在全球碳排放中占有很大的比例。

上图:磷是数千种产品的基本成分,包括除草剂、锂离子电池,甚至软饮料。

为了减少碳足迹,麻省理工学院的化学家们设计了一种替代方法来生产白磷,白磷是制造含磷产品的关键中间体。研究人员说,他们的方法是使用电力来加速一个关键的化学反应,可以将这一过程的碳排放减少一半甚至更多。

麻省理工学院化学副教授、该研究的资深作者约格什·苏伦德拉纳特(Yogesh Surendranath)说:“白磷目前是一种不可或缺的中间体,我们的工艺极大地减少了将磷酸盐转化为白磷的碳足迹,”

实际上,新工艺从两个方面减少了白磷生产的碳足迹:它降低了反应所需的温度,并显著减少了作为废物的二氧化碳的产生。

麻省理工学院最近毕业的乔纳森·梅尔维尔博士和麻省理工学院研究生安德鲁·利奇尼是这篇论文的主要作者,这篇论文近日已发表在《美国国家科学院中心科学》上。

净化磷

当磷从地下被开采出来时,它以磷酸盐的形式存在,磷酸盐是一种基本单位由一个磷原子和四个氧原子组成的矿物。大约95%的磷矿被用来制造肥料。剩下的磷矿被单独加工成白磷,白磷是一种由四个磷原子相互结合组成的分子。然后,白磷被送入各种化学过程中,用于制造许多不同的产品,如锂电池电解质和半导体掺杂剂。

格什·苏伦德拉纳特说,将这些开采出来的磷酸盐转化为白磷的过程,占整个磷矿工业碳足迹的很大一部分。这个过程中最耗能的部分是破坏磷和氧之间的键,而磷和氧之间的键非常稳定。

所以,这里会使用传统的“热过程”,通过将碳焦和磷矿加热到1500摄氏度来破坏这些键。在这个过程中,碳从磷中剥离氧原子,最终产生二氧化碳作为副产品。此外,维持这样的温度需要大量的能源,增加了这一过程的碳足迹。

格什·苏伦德拉纳特表示:“自一个多世纪前开始以来,这一进程没有发生实质性变化。我们的目标是弄清楚如何开发一种新工艺,大幅度降低这一工艺的碳足迹。我们的想法是将其与可再生电力结合起来,用电子驱动磷酸盐转化为白磷,而不是使用碳。”

为了做到这一点,研究人员必须想出另一种方法来削弱磷酸盐中发现的强磷-氧键。他们通过控制反应发生的环境来实现这一点。研究人员发现,使用脱水形式的磷酸可以促进反应,这种磷酸含有长链的磷酸盐,由称为“磷酰酐”的键连接在一起。这些键有助于削弱磷氧键。

当研究人员在这些盐中通电时,电子会破坏弱化的键,使磷原子挣脱束缚,相互结合形成白磷。在该系统所需的温度(约800℃)下,磷以气体的形式存在,因此它可以从溶液中气泡出来,并在外部腔室中收集。

脱碳

研究人员用于演示的电极依赖碳作为电子源,因此这个过程会产生一些二氧化碳作为副产品。然而,他们现在正致力于将这个电极换成一个将磷酸盐本身作为电子源的电极,这将通过将磷酸盐干净地分离成磷和氧来进一步减少碳足迹。

目前,研究人员已经将产生白磷的总体碳足迹减少了约50%。通过未来的改进,他们希望通过使用太阳能或风能等可再生能源来驱动所需的电流,将碳排放量降至接近零。

如果研究人员成功地扩大了他们的工艺,并使其广泛应用,它可以让工业用户在现场生产白磷,而不是从世界上目前生产白磷的少数几个地方运输。这将降低运输白磷的风险,白磷是一种爆炸性物质。

格什·苏伦德拉纳特说:“我们对这种中间体的现场生产前景感到兴奋,这样你就不必进行运输和分销了。如果你能推广这种生产,最终用户就可以在现场生产,并以一种综合的方式使用它。”

为了进行这项研究,研究人员必须开发新的工具,来控制环境中存在的电解质(如盐和酸),并测量这些电解质如何影响反应。现在,他们计划使用同样的方法来尝试开发低碳工艺,以分离其他工业上重要的元素,如硅和铁。

研究团队表示:“这项工作符合我们更广泛的兴趣,即为这些具有巨大碳足迹的传统工业过程脱碳。引导我们实现这一目标的基础科学,是了解如何调整电解质来促进这些过程。”

这项研究得到了穆罕默德六世理工学院-麻省理工学院研究计划、麻省理工学院塔塔技术与设计中心奖学金和国防科学与工程研究生奖学金的资助。

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