纯机械方法可以以更少污染的方式生产一种新型、更可持续的肥料。这是在 DESY 的光源 PETRA III 上优化的方法的结果。一个国际团队使用 PETRA III 优化生产方法，这是一种古老技术的改编：通过研磨两种常见成分，尿素和石膏，科学家们生产出一种新的固体化合物，它可以缓慢释放两种对土壤施肥至关重要的化学元素，氮，和钙。碾磨方法快速、高效、清洁——化肥产品也是如此，它有可能减少污染水系统并导致气候变化的氮污染。科学家们还发现他们的过程是可扩展的。因此，它有可能在工业上实施。DESY科学家的结果;克罗地亚萨格勒布的 Ruđer Bošković 研究所 (IRB);和美国利哈伊大学已发表在《绿色化学》杂志上。新肥料仍需在田间试验。
几年来，DESY 和 IRB 的科学家们一直在合作探索引发化学反应的机械方法的基本原理。这种称为机械化学的加工方法使用各种机械输入，例如压缩、振动，或者在本例中为铣削，以实现化学转化。“机械化学是一项相当古老的技术，”PETRA III P02.1 光束线的光束线科学家 Martin Etter 说。“几千年来，我们一直在碾磨东西，例如，用谷物做面包。直到现在我们才开始使用 X 射线更深入地研究这些机械化学过程，并了解我们如何使用这些过程来引发化学反应。”
Etter 的光束线是世界上少数几个可以使用同步加速器的 X 射线常规执行和分析机械化学的光束线之一。Etter 花费数年时间开发光束线，并与用户合作微调分析和优化机械化学反应的方法。结果是一个实验装置，已用于研究对材料科学、工业催化和绿色化学很重要的多种类型的反应。
“实际上，DESY 的机械化学装置可能是世界上最好的，”萨格勒布 IRB 的 Krunoslav Užarević 说。“在少数地方，可以像在 DESY 一样监测机械化学反应的进展。如果没有 Martin Etter 的专业知识和 PETRA III 设置，几乎不可能实现这一结果。”
对于这一结果，机械化学合作与利哈伊大学化学工程教授 Jonas Baltrusaitis 合作。该团队使用 P02.1 设置来深入了解控制研磨过程的参数，以优化制备目标肥料的反应条件。PETRA III 的设置允许通过向研磨容器施加同步加速器辐射直接了解反应混合物的演变。这意味着可以在不停止程序的情况下观察反应。因此，研究人员可以确定确切的反应途径并分析产品的产量和纯度，这有助于他们即时改进机械程序。他们发现了一种可以将起始材料 100% 转化为目标肥料的程序。
该最终产物被称为“共晶体”，一种具有晶体结构的固体，包含两种不同的化学物质，通过重复模式中较弱的分子间相互作用来稳定。“可以将共晶体视为乐高结构，”埃特说。“你有两种两块砖，用这两块砖组成一个重复的图案。” 在这种情况下，“砖”是从石膏和尿素中提取的硫酸钙。通过研磨过程，尿素和硫酸钙相互结合。
“就其本身而言，尿素会形成一种结合非常弱的晶体，很容易分解并很容易释放出氮，”Baltrusaitis 说。“但是通过这种机械化学过程的硫酸钙，你会得到一个更坚固、释放缓慢的共晶体。” 这种共晶体的优点是它的化学键足够弱，可以释放氮和钙，但又足够强，可以防止两种元素同时被释放。
这种释放方法是肥料的巨大优势。一方面，他们避免了自 1960 年代以来使用的氮肥的主要缺点之一。“出于粮食安全的原因，化肥的现状是尽可能多地向作物倾倒氮和磷，”Baltrusaitis 说。超过 2 亿吨的肥料是通过具有百年历史的 Haber-Bosch 工艺生产的，该工艺将大气中的氮捕获到尿素晶体中。其中，只有大约 47% 被地面实际吸收，其余的被冲走并可能对水系统造成大规模破坏。在北海和墨西哥湾，大量的“死区”正在增长，其中过量肥料喂养的藻类大量吸收水中所有可用的氧气，从而杀死海洋生物。
此外，普通肥料的生产是能源密集型的，每年通过 Haber-Bosch 工艺消耗全球天然气供应的 4%。新方法提供了减少这种依赖的机会。“如果你将这些尿素材料的效率提高 50%，你需要通过 Haber-Bosch 生产更少的尿素，以及所有相关的能源消耗问题，例如天然气需求，”Baltrusaitis 说。研磨过程快速且非常有效，产生纯肥料，除水外没有任何废物副产物。“我们不仅提出了一种功能更好的肥料，”Baltrusaitis 说，“我们还展示了一种绿色合成方法。”
虽然 PETRA III 分析涉及毫克化肥，但由 Baltrusaitis 和 Užarević 领导的研究小组在 PETRA 获取的数据的帮助下设法扩大了他们的程序。到目前为止，他们可以以相同的程序和效率生产数百克的肥料。作为下一步，该团队计划继续扩大规模，以制作该流程的实际原理验证工业版本。Baltrusaitis 已经在努力扩大和测试共晶肥料，以在现实条件下应用。
“除了产品之外，机械化学过程几乎不会产生不需要的副产品或废物，”来自 IRB 的 Užarević 说。“我们乐观地认为它在世界范围内具有强大的应用潜力。”
克罗地亚萨格勒布的 Ruđer Bošković Institut、美国伯利恒(宾夕法尼亚州)的 Lehigh 大学、化学公司 ICL Group、萨格勒布大学和 DESY 参与了这项研究。
