一种更可持续的磷生产方式

磷是数千种产品的重要成分，包括除草剂、锂离子电池，甚至软饮料。大部分磷来自能源密集型过程，对全球碳排放产生重大影响。

 

为了减少碳足迹，麻省理工学院的化学家设计了一种生产白磷的替代方法，白磷是制造这些含磷产品的关键中间体。研究人员表示，他们的方法利用电力来加速关键的化学反应，可以将这一过程的碳排放量减少一半甚至更多。

 

“白磷目前是一种不可或缺的中间体，我们的工艺大大减少了将磷酸盐转化为白磷的碳足迹，”麻省理工学院化学副教授、该研究的资深作者 Yogesh Surendranath 说。

 

新工艺通过两种方式减少白磷生产的碳足迹：降低反应所需的温度，并显着减少产生的二氧化碳废物。

 

麻省理工学院应届毕业生 Jonathan “Jo” Melville 博士 '21 和麻省理工学院研究生 Andrew Licini 是该论文的主要作者，该论文今天发表在ACS Central Science上。

 

净化磷

 

当磷从地下开采出来时，它以磷酸盐的形式存在，这是一种矿物，其基本单元包含一个与四个氧原子结合的磷原子。大约 95% 的磷矿石用于制造肥料。剩余的磷矿被单独加工成白磷，白磷是由四个磷原子相互结合组成的分子。然后将白磷送入各种化学工艺中，用于制造许多不同的产品，例如锂电池电解质和半导体掺杂剂。

 

Surendranath 说，将这些开采的磷酸盐转化为白磷占整个磷工业碳足迹的很大一部分。该过程中最耗能的部分是破坏磷和氧之间的键，它们非常稳定。

 

Using the traditional “thermal process,” those bonds are broken by heating carbon coke and phosphate rock to a temperature of 1,500 degrees Celsius. In this process, the carbon serves to strip away the oxygen atoms from phosphorus, leading to the eventual generation of CO₂ as a byproduct. In addition, sustaining those temperatures requires a great deal of energy, adding to the carbon footprint of the process.

 

“That process hasn’t changed substantially since its inception over a century ago. Our goal was to figure out how we could develop a process that would substantially lower the carbon footprint of this process,” Surendranath says. “The idea was to combine it with renewable electricity and drive that conversion of phosphate to white phosphorus with electrons rather than using carbon.”

为此，研究人员必须想出一种替代方法来削弱磷酸盐中强大的磷-氧键。他们通过控制反应发生的环境来实现这一目标。研究人员发现，可以使用脱水形式的磷酸来促进该反应，其中含有通过称为磷酰酐的键连接在一起的磷酸盐长链。这些键有助于削弱磷-氧键。

当研究人员让电流通过这些盐时，电子会破坏弱化的键，使磷原子挣脱束缚并相互结合形成白磷。在该系统所需的温度（约 800°C）下，磷以气体形式存在，因此它可以从溶液中冒泡并收集在外部室中。

脱碳

研究人员用于本次演示的电极依赖于碳作为电子源，因此该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种电极更换为使用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。

通过本文报道的工艺，研究人员将生产白磷的总体碳足迹减少了约 50%。通过未来的修改，他们希望将碳排放量降至接近零，部分方法是使用太阳能或风能等可再生能源来驱动所需的电流。

如果研究人员成功扩大其工艺规模并使其广泛应用，工业用户就可以在现场生产白磷，而不是从目前世界上少数几个生产白磷的地方运输。这将降低运输白磷这种爆炸性物质的风险。

“我们对现场生成这种中间体的前景感到很兴奋，这样您就不必进行运输和分配，”Surendranath 说。“如果你可以分散这种生产，最终用户就可以在现场进行生产并以集成的方式使用它。”

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

 

“这项工作符合我们对这些具有巨大碳足迹的传统工业流程脱碳的更广泛兴趣，”苏伦德拉纳特说。“引导我们实现这一目标的基础科学是了解如何定制电解质来促进这些过程。”

 

该研究由穆罕默德六世理工大学-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的奖学金以及国防科学与工程研究生奖学金资助。