麻省理工學(xué)院:一種更可持續(xù)的磷生產(chǎn)方式
麻省理工學(xué)院的化學(xué)家找到了一種減少生產(chǎn)白磷的碳足跡的方法，白磷是許多消費(fèi)品的一種成分。
磷是數(shù)以千計產(chǎn)品的基本成分，包括除草劑、鋰離子電池，甚至軟飲料。大部分磷來自能源密集型過程，該過程對全球碳排放量貢獻(xiàn)巨大。
為了減少碳足跡，麻省理工學(xué)院的化學(xué)家們設(shè)計了一種替代方法來生成白磷，白磷是制造這些含磷產(chǎn)品的關(guān)鍵中間體。研究人員表示，他們的方法使用電力來加速關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)，可以將過程中的碳排放量減少一半甚至更多。
“白磷目前是不可或缺的中間體，我們的工藝大大減少了將磷酸鹽轉(zhuǎn)化為白磷的碳足跡，”麻省理工學(xué)院化學(xué)副教授、該研究的作者 Yogesh Surendranath 說。
新工藝通過兩種方式減少了白磷生產(chǎn)的碳足跡：降低了反應(yīng)所需的溫度，并且產(chǎn)生的二氧化碳廢物明顯減少。
近麻省理工學(xué)院畢業(yè)生 Jonathan “Jo” Melville PhD '21 和麻省理工學(xué)院研究生 Andrew Licini 是該論文的主要作者，該論文今天發(fā)表在ACS Central Science上。
純化磷
當(dāng)磷從地下開采出來時，它以磷酸鹽的形式存在，這是一種礦物，其基本單位包括一個磷原子和四個氧原子。大約 95% 的磷酸鹽礦石用于制造肥料。剩余的磷礦石被單獨(dú)加工成白磷，這是一種由四個相互結(jié)合的磷原子組成的分子。然后將白磷送入各種化學(xué)過程，用于制造許多不同的產(chǎn)品，例如鋰電池電解質(zhì)和半導(dǎo)體摻雜劑。
Surendranath 說，將這些開采的磷酸鹽轉(zhuǎn)化為白磷占整個磷工業(yè)碳足跡的很大一部分。這個過程中耗能的部分是打破磷和氧之間非常穩(wěn)定的鍵。
使用傳統(tǒng)的“熱過程”，通過將碳焦和磷酸鹽巖加熱到 1,500 攝氏度的溫度來破壞這些鍵。在此過程中，碳用于從磷中剝離氧原子，導(dǎo)致終產(chǎn)生 CO 2作為副產(chǎn)品。此外，維持這些溫度需要大量能量，增加了該過程的碳足跡。
“這個過程自一個多世紀(jì)前開始以來并沒有發(fā)生實質(zhì)性變化。我們的目標(biāo)是弄清楚我們?nèi)绾文軌蜷_發(fā)出一種能夠顯著降低該過程碳足跡的工藝，”Surendranath 說。“我們的想法是將它與可再生電力結(jié)合起來，用電子而不是使用碳來驅(qū)動磷酸鹽向白磷的轉(zhuǎn)化?！?/span>
為此，研究人員必須想出一種替代方法來削弱磷酸鹽中的強(qiáng)磷氧鍵。他們通過控制反應(yīng)發(fā)生的環(huán)境來實現(xiàn)這一點(diǎn)。研究人員發(fā)現(xiàn)，可以使用一種脫水形式的磷酸來促進(jìn)反應(yīng)，這種磷酸含有通過稱為磷酸酐的鍵結(jié)合在一起的長鏈磷酸鹽。這些鍵有助于削弱磷-氧鍵。
當(dāng)研究人員使電流通過這些鹽時，電子會破壞弱化的鍵，使磷原子脫離并相互結(jié)合形成白磷。在該系統(tǒng)所需的溫度（約 800 攝氏度）下，磷以氣體形式存在，因此它可以從溶液中冒出并收集在外部腔室中。
脫碳
研究人員用于該演示的電極依賴碳作為電子源，因此該過程會產(chǎn)生一些二氧化碳作為副產(chǎn)品。然而，他們現(xiàn)在正致力于將該電極換成使用磷酸鹽本身作為電子源的電極，這將通過將磷酸鹽干凈地分離成磷和氧來進(jìn)一步減少碳足跡。
通過本文中報道的過程，研究人員已將生成白磷的總體碳足跡減少了約 50%。通過未來的改造，他們希望將碳排放量降至幾乎為零，部分方法是使用太陽能或風(fēng)能等可再生能源來驅(qū)動所需的電流。
如果研究人員成功地擴(kuò)大他們的工藝并使其廣泛應(yīng)用，它可以讓工業(yè)用戶在現(xiàn)場生產(chǎn)白磷，而不是從世界上目前生產(chǎn)白磷的少數(shù)幾個地方運(yùn)來。這將降低運(yùn)輸白磷這種爆炸性物質(zhì)的風(fēng)險。
“我們對現(xiàn)場生成這種中間體的前景感到興奮，因此您不必進(jìn)行運(yùn)輸和分配，”Surendranath 說。“如果你能分散這種生產(chǎn)，終用戶就可以在現(xiàn)場制作并以集成的方式使用它?！?/span>
為了進(jìn)行這項研究，研究人員必須開發(fā)新的工具來控制環(huán)境中存在的電解質(zhì)（如鹽和酸），并測量這些電解質(zhì)如何影響反應(yīng)。現(xiàn)在，他們計劃使用相同的方法嘗試開發(fā)低碳工藝來分離其他重要的工業(yè)元素，例如硅和鐵。
“這項工作符合我們對這些具有巨大碳足跡的遺留工業(yè)流程脫碳的更廣泛興趣，”Surendranath 說。“引領(lǐng)我們到那里的基礎(chǔ)科學(xué)是了解如何調(diào)整電解質(zhì)以促進(jìn)這些過程?！?/span>
該研究由穆罕默德六世理工大學(xué)-麻省理工學(xué)院研究計劃、麻省理工學(xué)院塔塔技術(shù)與設(shè)計中心獎學(xué)金以及國防科學(xué)與工程研究生獎學(xué)金資助。
