準(zhǔn)備好接受勒夏特列原理^*吧！這就是一種新的高效工藝背后的理念，它可以同時(shí)推動(dòng)綠色氨和綠色氫的市場。綠色氫已經(jīng)是一件眾所周知的大事了，氨的問題還有待解決，美國能源部已經(jīng)在朝著這個(gè)方向規(guī)劃。

美國能源部支持一項(xiàng)新的綠色氨化制氫項(xiàng)目，旨在推動(dòng)全球脫碳達(dá)到翹曲速度(來自美國能源部)

　　綠色氨促進(jìn)綠色氫經(jīng)濟(jì)

　　對于那些不熟悉這個(gè)話題的人來說，氫是一種儲量豐富、零排放的燃料和化學(xué)原料，目前主要來自化石燃料——但這種情況不會(huì)持續(xù)太久。由于風(fēng)能和太陽能的成本不斷下降，電解的財(cái)務(wù)狀況正在改善，電解涉及到用電從水中“分離”氫。

　　其他的綠色氫途徑也在發(fā)展中，但電解目前似乎在市場準(zhǔn)備方面有優(yōu)勢，所以現(xiàn)在每個(gè)人都對未來的綠色氫經(jīng)濟(jì)感到興奮。然而，技術(shù)上的障礙仍然有待克服，其中一個(gè)障礙就是如何以一種有效的方式運(yùn)輸氫氣。在現(xiàn)有的天然氣管道基礎(chǔ)設(shè)施上搭載氫氣是其中一種選擇，這留下了廣闊的未被開發(fā)的潛在市場。

　　當(dāng)氫被液化時(shí)，運(yùn)輸?shù)倪x擇范圍更大一些，但是液化氫要花錢。一種新興的解決方案是在生產(chǎn)階段或接近生產(chǎn)階段時(shí)將綠色氫轉(zhuǎn)化為綠色氨(氨的分子式是NH3)。氨的液化成本較低，美國已經(jīng)有了廣泛的氨運(yùn)輸和儲存基礎(chǔ)設(shè)施，氨工業(yè)當(dāng)然也可以進(jìn)行綠色改造（目前大多數(shù)氨是從甲烷或其他化石來源生產(chǎn)的）。

　　美國能源部致力于利用綠色氨

　　這一切都很好，但這與閃閃發(fā)光的未來綠色氫經(jīng)濟(jì)有什么關(guān)系呢？如果新的研究成功的話，會(huì)帶來很多。基本想法是用綠色氨作為綠色氫的可運(yùn)輸載體。

　　說起來容易做起來難，因?yàn)楝F(xiàn)在的問題是從氨中分離出氫氣需要一定的成本，而且整件事情必須在財(cái)務(wù)上有意義。

　　美國能源部想在這方面發(fā)揮作用。該機(jī)構(gòu)一直在推動(dòng)綠色氫的前沿和中心，現(xiàn)在，它也搭上了綠色氨的快車。

　　2016年，美國能源部通過一項(xiàng)名為“再生燃料”(REFUEL，可再生能源的簡稱)的新氫燃料計(jì)劃，正式確立了這一目標(biāo)。REFUEL的目標(biāo)是開發(fā)“可擴(kuò)展的技術(shù)，將電能從可再生能源轉(zhuǎn)化為能源密度高的碳中性液體燃料，并根據(jù)需要再轉(zhuǎn)化為電力或氫氣。”

　　REFUEL是在2016年奧巴馬政府執(zhí)政的最后幾天成型的。綠色氨只是能源部在過去四年里興致勃勃推行的幾個(gè)脫碳項(xiàng)目之一。變革性能源辦公室ARPA-E負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)REFUEL，并于2017年8月舉行了定向邀請的啟動(dòng)會(huì)議。

　　西門子(Siemens)為這一努力增添了莊嚴(yán)的色彩。該公司宣稱，綠色氨將“在2100年前幫助實(shí)現(xiàn)全球經(jīng)濟(jì)的脫碳，并使當(dāng)今世界的能源市場發(fā)生根本性改變”。

　　全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)脫碳

　　對了，綠色氨。如果我們的統(tǒng)計(jì)正確，REFUEL的資金清單上就已經(jīng)有17個(gè)項(xiàng)目，包括向西北大學(xué)的一組研究人員授予的氨制氫贈(zèng)款。以及來自美國國家科學(xué)基金會(huì)的協(xié)助。

　　西北大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)剛剛在《焦耳(Joule)》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果，標(biāo)題為“用于生產(chǎn)氨制氫的固體酸性電化學(xué)電池”，如果您沒有時(shí)間閱讀全部內(nèi)容，該研究的主要作者Sossina M Haile，西北大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授，她提供了一個(gè)該項(xiàng)研究的簡單摘要。

　　“運(yùn)輸氫氣既困難又昂貴，但一個(gè)廣泛的氨輸送系統(tǒng)已經(jīng)存在，”Haile教授解釋說。“我們向世界各地運(yùn)送大量的氨作為肥料。如果你給我們氨，我們開發(fā)的電化學(xué)系統(tǒng)可以在任何規(guī)模的現(xiàn)場將氨轉(zhuǎn)化為燃料電池可用的清潔氫氣。”

　　“將氨以分布式的方式就地轉(zhuǎn)化為氫，可以讓你開車進(jìn)入燃料補(bǔ)給站，為你的車獲得增壓氫。此外，航空工業(yè)對氫燃料電池的興趣也越來越大，因?yàn)殡姵靥亓恕?rdquo;

　　新的氨轉(zhuǎn)換設(shè)備在250攝氏度的較低溫度下運(yùn)行，這使得該團(tuán)隊(duì)能夠利用可再生能源發(fā)電來驅(qū)動(dòng)這個(gè)過程。傳統(tǒng)的電化學(xué)過程需要更高的溫度，必須達(dá)到500到600攝氏度。

　　錦上添花的是，該設(shè)備可以直接產(chǎn)出不需要進(jìn)一步處理的純氫，而且不會(huì)因?yàn)楦狈磻?yīng)而導(dǎo)致能量損失。

　　從分布式能源(DERS)的角度來看，所有這些都非常有趣。美國能源部將分布式能源視為未來綠色、安全、有彈性電網(wǎng)的關(guān)鍵。想想氨氣燃料、分布式風(fēng)能、屋頂太陽能，你就能看到氫-氨-氫轉(zhuǎn)化過程所帶來的價(jià)值。

　　勒夏特列原理是什么？

　　美國西北大學(xué)這項(xiàng)突破性研究的核心是一個(gè)電化學(xué)電池，電池上有一層質(zhì)子傳導(dǎo)膜，與一種可以將氨分解為氫和氮的催化劑相連接。

　　反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化為質(zhì)子，然后質(zhì)子通過電化學(xué)電池的膜被拉出來。

　　“通過不斷地抽取氫氣，我們可以使反應(yīng)進(jìn)行得更深入。這就是勒夏特列原理，”Haile解釋道。“通過去除氨裂解反應(yīng)的產(chǎn)物之一，也就是氫，我們推動(dòng)了反應(yīng)的進(jìn)行，這超出了單靠裂解氨的催化劑所能做到的。”

　　勒夏特列原理是一種預(yù)測工具，它使化學(xué)家能夠預(yù)測如果你擾亂一種處于平衡狀態(tài)的化學(xué)物質(zhì)會(huì)發(fā)生什么（它試圖重新建立平衡）。

　　有趣的是，開發(fā)出這一技術(shù)的法國科學(xué)家亨利•路易斯•勒夏特列(Henry Louis Le Chatelier)在其漫長而著名的職業(yè)生涯中也曾一度涉足氨生產(chǎn)。

　　不幸的是，他涉獵的范圍不大。我們在sciencenotes.org的朋友解釋說，他的實(shí)驗(yàn)氨合成裝置發(fā)生了爆炸，炸死了他的一名助手，使他在這方面的努力付諸東流。

　　而其他人則繼續(xù)努力地解決這個(gè)問題，僅僅幾年后，哈伯-博世(Haber-Bosch)方法出現(xiàn)了，它類似于勒夏特列的試驗(yàn)，但通過從空氣中提取的氮來填補(bǔ)缺失的部分。

　　在這一重大突破發(fā)生期間，勒夏特列仍在世(他于1936年去世)，他因沒有繼續(xù)之前的工作而感到遺憾。

亨利•路易斯•勒夏特列

　　*譯者注：勒夏特列原理(Le Chatelier's principle)，又名化學(xué)平衡移動(dòng)原理，由法國化學(xué)家勒夏特列于1888年發(fā)現(xiàn)。是一個(gè)定性預(yù)測化學(xué)平衡點(diǎn)的原理，其具體內(nèi)容為：如果改變可逆反應(yīng)的條件（如濃度、壓強(qiáng)、溫度等），化學(xué)平衡就被破壞，并向減弱這種改變的方向移動(dòng)。

　　（原文來自：清潔技術(shù) 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）