跳到主要內容

鐵（Fe）與銠（Ru）：催化劑的科學與氨合成的未來

1913年的製氨反應器。
圖片來源：維基百科

 

哈伯法（Haber process）是由哈伯（Fritz Haber）與他的助理Robert Le Rossignol在1905年發明的。他們使用鐵（Fe）作為催化劑，在高溫高壓下合成了氨（NH3）。當時這個發現有許多重大意義，過去一直以為如氨這樣的化合物只有「有生命」的物種才能合成它，所以能在實驗室製造氨真的是「轟動武林、驚動萬教」的事，而另外一個重大的意義則是從此我們有源源不絕的氮源，可以用來製造肥料，不需要依賴天然氮源如鳥糞等。

不過，哈伯只是在實驗室取得成功，要工業化生產，需要進一步改善合成的方法。哈伯法後來被巴斯夫（BASF SE）買下專利，並委託博施（Carl Bosch）做進一步改善。所以後來哈伯法也常被稱為「哈伯-博施法」（Haber-Bosch Process）。

因為高溫高壓非常消耗能源，所以後來還是不斷地有科學家試圖改善哈伯法。這裡提供一點大家可能都不會注意到的事實：哈伯法每年大約消耗全球能源生產的1-2%，並使用了全球3-5%的天然氣。此外，它還產生了全球1-3%的二氧化碳排放。

其中取得成功的是以銠（元素符號Ru）為催化劑的製程。以銠作為催化劑，能允許反應在更溫和的壓力和溫度條件下運作，因此被視為第二代催化劑。銠基催化劑的活性強烈依賴於載體和促進劑。自1992年以來，銠活化碳基催化劑在KBR高級氨製程（KAAP）中已被工業使用。儘管有一些缺點，例如載體被氫氣轉化為甲烷的風險，但透過對碳載體進行特殊處理可以減緩這一問題，從而延長催化劑壽命。

但是，到底鐵與銠誰比較好？還是各自有長處？最近的一個研究，提供我們一些觀點。

研究團隊利用操作型X射線光電子能譜（XPS）來確定在氨（NH3）生產過程中，鐵和銠催化劑的表面組成狀態。研究團隊發現，無論是平坦或階梯狀的鐵表面，以及銠單晶表面在高達1巴的壓力和723K的溫度下，都保持金屬態，但銠的表面幾乎無吸附物，而鐵催化劑則保留少量吸附的氮並在較低溫度下在階梯狀表面形成高覆蓋率的氨基（NHx）。這些觀察表明，在銠催化劑上，速率限制步驟始終是N2的解離；相比之下，在Fe催化劑上，隨著溫度降低，限速步驟從N2解離轉變為表面物種的氫化。

另外，研究團隊發現，銠催化劑在623K時達到最高活性，這與催化反應器研究一致。相比之下，鐵催化劑要到更高的溫度（723K）表現出較高的活性。

還有，在523K下，鐵和銠催化劑的表面化學發生了一些特別的現象。尤其在鐵催化劑上，低於523K的溫度時沒有觀察到氮化物（nitride）的形成。這顯示出在不同溫度下，這些催化劑的表面反應和氨的產量會有所不同，反映出溫度對氨合成過程的重要影響。

雖然銠催化劑在623K達到最大活性確實顯示它在某些條件下是一個較好的催化劑，因為不需要消耗更多能源把溫度提到更高，這樣可以節省成本。然而，判斷一種催化劑是否「更好」需要考慮許多因素，包括反應速率、能源效率、壽命、成本以及環境影響等。銠在特定條件下的高活性顯示它在這些條件下可能是一個更優選擇，但這不一定意味著它在所有情況下都是最佳催化劑。在不同的工業應用和操作條件下，可能會選擇不同的催化劑。總而言之，這項研究為理解哈伯-博施法提供了新的資訊。

參考文獻：

Green ammonia synthesis. Nat. Synth 2, 581–582 (2023). https://doi.org/10.1038/s44160-023-00362-y Goodwin, C.M., Lömker, P., Degerman, D. et al. Operando probing of the surface chemistry during the Haber–Bosch process. Nature 625, 282–286 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06844-5
標籤：

留言

張貼留言

這個網誌中的熱門文章

高麗菜（cabbage）

  圖片來源： 維基百科 小時候在家，媽媽很常做炒高麗菜。用蔥爆香或是加一點豬油渣來拌炒，是餐桌上常見的料理。但是比起空心菜（甕菜）、芹菜、韭菜等味道濃烈的菜，炒高麗菜味道可能真的太平凡了，所以沒有太多印象。 大學畢業後出國唸書，發現國外的高麗菜實在太便宜了！好大一棵高麗菜（英文名稱為cabbage）才十九美分，台幣還不到十元。在生活水準高於台灣的美國，雖然學校提供獎學金，但還是常有捉襟見肘之感，一看到這麼便宜的高麗菜自然是欣喜萬分，想都不想就立刻買了一棵回家煮，卻沒想到滋味與台灣的高麗菜有雲泥之別。美國的高麗菜幾乎沒有菜味，吃起來味同嚼蠟，令人大失所望。雖說如此，但為了省錢，在國外的日子還是很常買高麗菜的。 等畢業到了加州才發現，原來美國的高麗菜與台灣的是不同品系。美國的高麗菜呈圓球型，裡面的葉子很多都還是綠的；台灣的高麗菜呈橢圓球型，裡面的葉子是淺黃色。美國人其實不常吃煮熟的高麗菜，他們多半都是洗乾淨了做生菜沙拉吃。印象中美國人似乎不大喜歡味道濃烈的蔬菜，不只是高麗菜淡而無味，他們的萵苣、茄子、胡蘿蔔味道都比台灣的淡得多了。其實台灣還有味道更好的「高山高麗菜」：尖頭型的高山高麗菜，滋味比橢圓球型的平地高麗菜更好，但在高山上種植高麗菜會造成水土保持不良、導致土石流，所以還是吃平地高麗菜對環境比較友善。 學名為甘藍的「高麗菜」，又名捲心菜、洋白菜、圓白菜、球白菜、大頭菜、蓮花菜、疙瘩白，古名俄羅斯菘 ，不論在東亞或是在歐美，都是很常見的蔬菜。原產於地中海至北海沿岸的甘藍，是十字花科蕓薹屬的二年生草本植物，從羅馬時代就是很受歡迎的蔬菜。不過當時的甘藍並沒有捲心品種，而是長得有點像小白菜的樣子。歐洲人馴化了甘藍後，發現甘藍很容易出現不同的變異，便開始育種產生了花椰菜、青花菜、結球甘藍（也就是俗稱的「高麗菜」）、球芽甘藍等變種。結球甘藍大約在十三世紀時出現，十六世紀時傳入北美洲與中國大陸 ，再輾轉傳入台灣。結球甘藍在台灣最早的紀錄可能是康熙、乾隆年間出版的《台灣府志》，裡面把它稱為「番芥藍」。最近有一篇 關於結球萵苣（或稱為捲心）的研究 ，發現結球萵苣是因為 LsKN1 這個基因遭到一個類CACTA轉位子（CACTA-like transposon）的插入，使它以不完整的形式高度表現後，轉而去抑制另一個基因 LsAS1 的啟動子，造成 LsAS1 基因...
張貼留言
閱讀完整內容

關於蕃薯，你知道你吃的是什麼品種嗎？

蕃薯（ Ipomoea batatas ）從臺灣人的主食、轉變為副食、又轉變為飼料，最後在養生的風潮下，再度躍上餐桌，成為美食，可有人關心過，我們吃的蕃薯是什麼品種嗎？ 圖片來源： 農委會 上面這張照片裡的蕃薯，中間的TN57與TN66，就是台農57號與台農66號，是臺灣最受歡迎的兩種蕃薯喔！ 台農57號在1955年由嘉義農試分所將日治時代培育出的台農27號與南瑞苕種（Nancy hall）雜交育成。它黃皮黃肉，目前還是全臺灣產量最大的蕃薯。口感鬆軟，適合烤、煮食或製作薯條。主要產地在雲林、台南、高雄。適合在四～十月間種植。台農57號還曾經隨著農技團飄洋過海到史瓦濟蘭去，協助他們解決糧食問題呢！ 至於台農66號呢，就是所謂的紅心蕃薯啦！台農66號是1975年也是由嘉義農試分所選出，1982年正式命名。它是目前栽植最普遍的食用紅肉番薯。在臺灣，幾乎全年皆可栽種，秋冬作五個月可收穫，春夏作四個月就可以收穫囉！ 最右邊的台農73號，就是現在所謂的「芋仔蕃薯」啦！它是在1990年以台農62號（♂）x清水紫心（♀）雜交後，在2002年選拔出優良子代CYY90-C17，並於2007年正式命名。由於肉色為深紫色，所以得到「芋仔蕃薯」的暱稱。本品種富含cyanidin 及peonidin 等花青素，具抗氧化功用。 至於常吃的蕃薯葉，則是以桃園2號與台農71號為主，這兩種葉菜蕃薯都不用撕皮就可以直接煮來吃，而且莖葉不易倒伏，方便農民採收喔！ 如果您愛吃的是蕃薯的加工食品，如蕃薯餅、蜜蕃薯、蕃薯酥，其實他們大多也是用台農57號與66號來加工的喔！ 參考文獻： 蔡承豪、楊韻平。2004。臺灣蕃薯文化誌。貓頭鷹出版。 行政院農委會。 甘藷主題館 。
張貼留言
閱讀完整內容

秋葵（Abelmoschus esculentus）

秋葵。圖片來源： wiki 在杜蘭大學（Tulane University） 讀書時，大學旁邊的「慈善醫院」（Charity Hospital）的餐廳週一固定有的是紅豆飯（red bean and rice），週五則是秋葵濃湯（Gumbo）。 秋葵濃湯的主要材料是秋葵（okra， Abelmoschus esculentus ），還有海鮮。窮學生買不起什麼海鮮，週五吃到秋葵濃湯就覺得很豐盛了。 最近看書，才知道原來秋葵濃湯是源自於當年被抓到美國的黑奴的家鄉菜，秋葵也是被他們帶到美國的。 秋葵濃湯的名字「Gumbo」其實是班圖語（Bantu）「nkombo」，意思就是秋葵。在路易斯安納州，秋葵以及秋葵濃湯也都被稱為gumbo。 秋葵濃湯後來有了一些不同的變化。依照路易斯安納州的族群，有Cajun gumbo與Creole gumbo。Cajun是源自於加拿大，後來搬到密西西比河灣（bayou）居住的法國人後裔，他們的秋葵濃湯裡面會有小龍蝦（crawfish）以及螃蟹；Creole則是居住在紐奧良的西班牙人、法國移民的後裔以及黑人後裔，他們的秋葵濃湯裡面會有蝦子、臘腸與雞肉。 筆者兩種都吃過呢！當年到路易斯安納州時第一次吃到秋葵，覺得很新鮮；回臺灣以後發現臺灣人竟然也吃起秋葵來，覺得有點小訝異。 在路易斯安納州，週一吃 紅豆飯 ，週五吃秋葵濃湯是他們的傳統。 根據 曹銘宗老師的文章 ，才知道秋葵在台灣成為常見的蔬菜，其實是1990年代以後的事；筆者在1992年出國，所以可以據此再把年代縮小一點。 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 秋葵在台灣成為常見的蔬菜，應該是1990年代以後的事。我當記者時常採訪的果菜專家王禮陽，他在1994年出版的「台灣果菜誌」並未提到秋葵。 秋葵在台灣開始受到歡迎，可能受到日本料理的影響，我第一次吃秋葵，就是「野菜天婦羅」及「和風沙拉」，非常嫩滑可口。後來，我在菜市場看到生的秋葵，才了解為什麼英文俗稱秋葵為Lady's fingers（美人指）！ 秋葵的原產地有東北非、西非、南亞的爭議，正式的英文名稱...
張貼留言
閱讀完整內容