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(jì)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(lái)自能源密集型過(guò)程，該過(guò)程對(duì)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?cè)O(shè)計(jì)了一種替代方法來(lái)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(lái)加速關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)，可以將過(guò)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(shuō)。

新工藝通過(guò)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(kāi)采出來(lái)時(shí)，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(gè)磷原子和四個(gè)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(gè)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(guò)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(shuō)，將這些開(kāi)采的磷酸鹽轉(zhuǎn)化為白磷占整個(gè)磷工業(yè)碳足跡的很大一部分。這個(gè)過(guò)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(guò)程”，通過(guò)將碳焦和磷酸鹽巖加熱到 1,500 攝氏度的溫度來(lái)破壞這些鍵。在此過(guò)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(guò)程的碳足跡。

“這個(gè)過(guò)程自一個(gè)多世紀(jì)前開(kāi)始以來(lái)并沒(méi)有發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。我們的目標(biāo)是弄清楚我們?nèi)绾文軌蜷_(kāi)發(fā)出一種能夠顯著降低該過(guò)程碳足跡的工藝，”Surendranath 說(shuō)。“我們的想法是將它與可再生電力結(jié)合起來(lái)，用電子而不是使用碳來(lái)驅(qū)動(dòng)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(lái)削弱磷酸鹽中的強(qiáng)磷氧鍵。他們通過(guò)控制反應(yīng)發(fā)生的環(huán)境來(lái)實(shí)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(lái)促進(jìn)反應(yīng)，這種磷酸含有通過(guò)稱(chēng)為磷酸酐的鍵結(jié)合在一起的長(zhǎng)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(guò)這些鹽時(shí)，電子會(huì)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(lài)碳作為電子源，因此該過(guò)程會(huì)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(guò)將磷酸鹽干凈地分離成磷和氧來(lái)進(jìn)一步減少碳足跡。

通過(guò)本文中報(bào)道的過(guò)程，研究人員已將生成白磷的總體碳足跡減少了約 50%。通過(guò)未來(lái)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(yáng)能或風(fēng)能等可再生能源來(lái)驅(qū)動(dòng)所需的電流。

如果研究人員成功地?cái)U(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(chǎng)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(gè)地方運(yùn)來(lái)。這將降低運(yùn)輸白磷這種爆炸性物質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。

“我們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(shuō)。“如果你能分散這種生產(chǎn)，終用戶就可以在現(xiàn)場(chǎng)制作并以集成的方式使用它。”

為了進(jìn)行這項(xiàng)研究，研究人員必須開(kāi)發(fā)新的工具來(lái)控制環(huán)境中存在的電解質(zhì)（如鹽和酸），并測(cè)量這些電解質(zhì)如何影響反應(yīng)。現(xiàn)在，他們計(jì)劃使用相同的方法嘗試開(kāi)發(fā)低碳工藝來(lái)分離其他重要的工業(yè)元素，例如硅和鐵。

“這項(xiàng)工作符合我們對(duì)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(shuō)。“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(guò)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(jì)劃、麻省理工學(xué)院塔塔技術(shù)與設(shè)計(jì)中心獎(jiǎng)學(xué)金以及國(guó)防科學(xué)與工程研究生獎(jiǎng)學(xué)金資助。