一种更可持续的磷生产方式

磷是数以千计产品的基本成分，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，该过程对全球碳排放量贡献巨大。

为了减少碳足迹，麻省理工学院的化学家设计了一种替代方法来生成白磷，白磷是制造这些含磷产品的关键中间体。研究人员表示，他们的方法使用电力来加速关键化学反应，可以将过程中的碳排放量减少一半甚至更多。

“白磷目前是不可或缺的中间体，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YogeshSurendranath说。

新工艺通过两种方式减少了白磷生产的碳足迹：降低了反应所需的温度，并且产生的二氧化碳废物明显减少。

最近麻省理工学院毕业生乔纳森“乔”梅尔维尔博士。'21和麻省理工学院研究生AndrewLicini是该论文的主要作者，该论文今天发表在ACSCentralScience上。

纯化磷

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，其基本单位包括一个磷原子和四个氧原子。大约95%的磷酸盐矿石用于制造肥料。剩余的磷矿石被单独加工成白磷，这是一种由四个相互结合的磷原子组成的分子。

然后将白磷送入各种化学过程，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。这个过程中最耗能的部分是打破磷和氧之间非常稳定的键。

使用传统的“热过程”，通过将碳焦和磷酸盐岩加热到1,500摄氏度的温度来破坏这些键。在此过程中，碳用于从磷中剥离氧原子，导致最终产生CO2作为副产品。此外，维持这些温度需要大量能量，增加了该过程的碳足迹。

“这个过程自一个多世纪前开始以来并没有发生实质性变化。我们的目标是弄清楚我们如何开发一种能够显着降低该过程碳足迹的过程，”Surendranath说。“我们的想法是将它与可再生电力结合起来，并用电子而不是使用碳来推动磷酸盐向白磷的转化。”

为此，研究人员必须想出一种替代方法来削弱磷酸盐中的强磷氧键。他们通过控制反应发生的环境来实现这一点。研究人员发现，可以使用一种脱水形式的磷酸来促进反应，这种磷酸含有通过称为磷酸酐的键结合在一起的长链磷酸盐。这些键有助于削弱磷-氧键。

当研究人员使电流通过这些盐时，电子会破坏弱化的键，使磷原子脱离并相互结合形成白磷。在该系统所需的温度(约800摄氏度)下，磷以气体形式存在，因此它可以从溶液中冒出并收集在外部腔室中。

脱碳

研究人员用于该演示的电极依赖碳作为电子源，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该电极换成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。

通过本文中报道的过程，研究人员已将生成白磷的总体碳足迹减少了约50%。通过未来的改造，他们希望将碳排放量降至几乎为零，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。

如果研究人员成功地扩大他们的工艺并使其广泛应用，它可以让工业用户在现场生产白磷，而不是从世界上目前生产白磷的少数几个地方运来。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兴奋，这样你就不必进行运输和分销，”Surendranath说。“如果你能分散这种生产，最终用户就可以在现场制作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的工具来控制环境中存在的电解质(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重要的工业元素，例如硅和铁。

“这项工作符合我们对这些具有巨大碳足迹的遗留工业流程脱碳的更广泛兴趣，”Surendranath说。“引领我们到那里的基础科学是了解如何调整电解质以促进这些过程。”