麻省理工學院的化學家找到了一種減少生產白磷的碳足跡的方法，白磷是許多消費品的一種成分。

磷是數以千計產品的基本成分，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巨大。

為了減少碳足跡，麻省理工學院的化學家們設計了一種替代方法來生成白磷，白磷是制造這些含磷產品的關鍵中間體。研究人員表示，他們的方法使用電力來加速關鍵化學反應，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化為白磷的碳足跡，”麻省理工學院化學副教授、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的碳足跡：降低了反應所需的溫度，并且產生的二氧化碳廢物明顯減少。

近麻省理工學院畢業生 Jonathan “Jo” Melville PhD '21 和麻省理工學院研究生 Andrew Licini 是該論文的主要作者，該論文今天發表在ACS Central Science上。

純化磷

當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加工成白磷，這是一種由四個相互結合的磷原子組成的分子。然后將白磷送入各種化學過程，用于制造許多不同的產品，例如鋰電池電解質和半導體摻雜劑。

Surendranath 說，將這些開采的磷酸鹽轉化為白磷占整個磷工業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定的鍵。

使用傳統的“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，導致終產生 CO 2作為副產品。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前開始以來并沒有發生實質性變化。我們的目標是弄清楚我們如何能夠開發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合起來，用電子而不是使用碳來驅動磷酸鹽向白磷的轉化。”

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磷氧鍵。他們通過控制反應發生的環境來實現這一點。研究人員發現，可以使用一種脫水形式的磷酸來促進反應，這種磷酸含有通過稱為磷酸酐的鍵結合在一起的長鏈磷酸鹽。這些鍵有助于削弱磷-氧鍵。

當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合形成白磷。在該系統所需的溫度（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，因此該過程會產生一些二氧化碳作為副產品。然而，他們現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能等可再生能源來驅動所需的電流。

如果研究人員成功地擴大他們的工藝并使其廣泛應用，它可以讓工業用戶在現場生產白磷，而不是從世界上目前生產白磷的少數幾個地方運來。這將降低運輸白磷這種爆炸性物質的風險。

“我們對現場生成這種中間體的前景感到興奮，因此您不必進行運輸和分配，”Surendranath 說。“如果你能分散這種生產，終用戶就可以在現場制作并以集成的方式使用它。”

為了進行這項研究，研究人員必須開發新的工具來控制環境中存在的電解質（如鹽和酸），并測量這些電解質如何影響反應。現在，他們計劃使用相同的方法嘗試開發低碳工藝來分離其他重要的工業元素，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流程脫碳的更廣泛興趣，”Surendranath 說。“引領我們到那里的基礎科學是了解如何調整電解質以促進這些過程。”

該研究由穆罕默德六世理工大學-麻省理工學院研究計劃、麻省理工學院塔塔技術與設計中心獎學金以及國防科學與工程研究生獎學金資助。