一种更可持续的磷生成方式

磷是数千种产品中必不可少的成分，包括除草剂、锂离子电池，甚至软饮料。这些磷大部分来自能源密集型过程，该过程对全球碳排放做出了重大贡献。

为了减少碳足迹，麻省理工学院的化学家们设计了一种产生白磷的替代方法，白磷是制造含磷产品的关键中间体。研究人员说，他们的方法使用电力来加速关键的化学反应，可以将该过程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Yogesh Surendranath说。

新工艺通过两种方式减少了白磷生产的碳足迹：它降低了反应所需的温度，并且它产生的二氧化碳作为废物显着减少。

最近的麻省理工学院毕业生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，它是磷酸盐的形式，磷酸盐是一种矿物，其基本单位包括一个磷原子与四个氧原子结合。大约95%的磷酸盐矿石用于制造肥料。剩余的磷酸盐矿石分别加工成白磷，白磷是由四个相互结合的磷原子组成的分子。

然后将白磷送入用于制造许多不同产品的各种化学工艺中，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行业碳足迹的很大一部分。该过程最耗能的部分是破坏磷和氧之间的键，这是非常稳定的。

使用传统的“热工艺”，通过将碳焦和磷酸盐岩石加热到1，500摄氏度的温度来破坏这些键。在这个过程中，碳用于从磷中剥离氧原子，导致最终产生一氧化碳2作为副产品。此外，维持这些温度需要大量的能量，增加了该过程的碳足迹。

“自一个多世纪前成立以来，这一过程并没有发生实质性变化。我们的目标是弄清楚如何开发一种能够大幅降低该过程碳足迹的工艺，“Surendranath说。“我们的想法是将其与可再生电力相结合，并用电子驱动磷酸盐转化为白磷，而不是使用碳。

为此，研究人员必须想出一种替代方法来削弱磷酸盐中发现的强磷氧键。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，可以使用脱水形式的磷酸来促进反应，磷酸含有长链磷酸盐，这些磷酸盐由称为磷酸酐的键结合在一起。这些键有助于削弱磷氧键。

当研究人员通过这些盐运行电流时，电子会破坏弱化的键，使磷原子挣脱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出气泡并收集在外室中。

脱碳

研究人员用于此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，他们现在正在努力将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。

通过本文报道的过程，研究人员将产生白磷的总碳足迹减少了约50%。通过未来的修改，他们希望将碳排放量降至接近零，部分原因是通过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了他们的工艺规模并使其广泛可用，它可以允许工业用户在现场生产白磷，而不是从世界上目前制造白磷的少数几个地方发货。这将减少运输白磷的风险，白磷是一种爆炸性材料。

“我们对现场生成这种中间体的前景感到兴奋，因此您不必进行运输和配送，”Surendranath说。“如果你可以分散这种生产，最终用户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来尝试开发低碳工艺，以分离其他工业上重要的元素，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进行脱碳的更广泛利益，”Surendranath说。“引导我们到达那里的基础科学是了解如何定制电解质以促进这些过程。

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