简化哈伯-博世实验用于化学实验室：一种教授氨合成和绿色氢概念的低成本方法

《Journal of Chemical Education》：A Simplified Haber-Bosch Experiment for the Chemistry Laboratory: A Low-Cost Approach to Teaching Ammonia Synthesis and Green Hydrogen Concepts

　　

减少温室气体排放是全球重大挑战之一，涉及对既有工业流程的重新思考。利用哈伯-博世（Haber-Bosch）过程合成氨是现代农业的基础，但也是二氧化碳（CO₂）排放的最大来源之一，这主要源于过程中从化石燃料获取氢气的步骤。一个有前景的替代方案是用绿色氢取代该步骤，绿色氢通过可再生能源驱动的水分解获得。然而，针对该主题的可操作实验实践仍然有限。研究人员在此描述了一种低成本实验，学生通过水分解产生氢，并结合氮气，模拟简化哈伯-博世过程的氨合成。该方法使学生能够探索绿色氢作为工业制氢更可持续替代方案的概念。反应在简易加热反应器中进行，产物通过pH指示剂识别。该实验为普通化学课程设计，促进了热力学、化学平衡、动力学和催化等基础概念的综合讨论，同时结合与可持续性相关的当代议题，包括绿色氢在降低氨生产碳足迹中的作用。

研究背景方面，全球变暖导致气候与环境失衡，极端事件频发，降低二氧化碳（CO₂）排放成为全球优先事项。氢气（H₂）因其高重量能量密度被誉为有前景的能源载体，但其作为燃料的使用仍有限。约50%的全球氢产量用于通过哈伯-博世（Haber-Bosch）过程生产氨（NH₃），而氨对肥料合成和世界粮食供应至关重要。然而，95%的氢气来自化石燃料，其中蒸汽甲烷重整（SMR）占70–80%，每吨氢气产生约9–10吨CO₂，约占全球温室气体排放的1.5%。绿色氢可通过可再生电力水分解获得，无直接CO₂排放。因此，哈伯-博世过程虽是20世纪初提高农业产量的关键发明，但现今已成为最污染的工业过程之一。现代可持续性讨论引发了对将可再生技术融入该百年过程的兴趣，尤其是水分解制绿色氢与哈伯-博世过程的结合可显著减少CO₂排放。该主题不仅具有技术相关性，还能为教学提供动力学、热力学、化学平衡和催化等核心概念的培养土壤。然而，现有文献中关于氨合成和哈伯-博世过程的实验多为理论或虚拟模拟，少数实验方案依赖复杂仪器（涉及N₂和H₂气体）。研究人员的目标是提出一种低成本、易操作的大学普通化学实验，帮助学生将核心化学概念与可持续性挑战联系起来，特别是化学在减少肥料生产相关温室气体排放中的作用。该实验在巴西坎皮纳斯州立大学（UNICAMP）的普通化学实验室课程（QG464）中实施，该课程每学期60小时，分为无机、有机、物理和分析四个模块，学生分四组轮转。在无机化学模块中，学生在三次实验课中依次探究金属制氢、水电解条件和简化哈伯-博世过程。本研究聚焦第三次实验课。

研究人员开展的研究：设计并实施了一个低成本实验，学生通过水电解（碱性电解槽，铁钉电极，KOH电解液）产生约480 mL氢气，与160 mL氮气混合后通入含有钢棉（Fe）和镍粉（Ni 99.5%纯度）催化床的管式反应器，用本生灯加热，产物通过Yamada pH指示剂溶液检测氨的生成。该实验在三个学期中由140名学生参与测试。通过预实验活动、实验讨论、课后反思及评估量规收集学习证据。

主要关键的技术方法：1. 水电解制氢装置：使用12 V直流电源、铁钉电极、KOH电解液（约30%浓度），通过排水法收集氢气于注射器并转移至乳胶气球。2. 氨合成反应器：管式玻璃反应器填充钢棉和镍粉催化床，预由教师准备；学生手动控制气球中混合气体流入反应器，用本生灯持续移动加热。3. 氨定性检测：反应产物通入Yamada混合pH指示剂溶液（含水、乙醇、酚酞、百里酚蓝、溴百里酚蓝等），根据颜色变化（橙黄→黄绿/蓝绿/紫/蓝）判断氨生成。样本队列来源：巴西坎皮纳斯州立大学（UNICAMP）普通化学课程QG464的140名本科生。

研究结果：

**Materials and Catalyst Characteristics**：通过扫描电子显微镜（SEM）观察，钢棉呈高度纤维状结构，提供大比表面积；能谱分析（EDS）和X射线荧光（XRF）证实铁为主要元素，镍粉呈异质颗粒形态，Ni含量89.7 ± 6.8%重量。比较不同商业钢棉样品，形态和组成相似，预期定性结果可比。

**Laboratory Experiment Overview**：实验课共4小时，包括主题讨论、实验操作（2–3小时）和总结讨论（20–30分钟）。教学借鉴Paulo Freire的“文化圈”概念，学生小组讨论。预实验活动引入工业氨生产的环境影响和可持续替代方案，实验中学生通过水电解和氨合成操作，观察pH指示剂颜色变化（图4），确认氨生成。课后活动促进反思与数据分析。该序列在三个学期中经140名学生测试，促进了主动参与。

**Evidence of Student Learning**：通过预实验和实验讨论，多数学生能正确识别氢气生产是哈伯-博世过程环境影响的主要因素，并认识到绿色氢的减排潜力。实验中学生定性评估温度、压力和催化剂的影响，通过引导性问题理解高温利于动力学但不利于平衡，催化剂对氮活化的必要性。氨的定性检测使学生将化学平衡和酸碱概念与实验观察关联。课后反思表明学生能区分教学模型与工业规模过程，理解化学原理跨尺度应用。总体证据表明实验有效支持了可持续性导向的学习。

**Limitations**：氢气产量有时不足，约65%的学生组成功使用自产气进行合成；其余组合并资源或使用工业气体。气体体积测量仅定性，转移中可能损失或污染。碱性溶液和氢气易燃带来安全风险，需做好防护和教师监督。这些局限性被有意识地用作教学工具，促进学生批判性比较实验装置与工业条件的差异。

讨论部分总结：实验成功将化学原理与可持续性议题连接，但需注意操作细节（如KOH浓度、气体体积控制）和分组策略（重组未成功组）。结论部分翻译如下：该实验向学生介绍了可持续性新兴主题，如将绿色氢整合到哈伯-博世过程。通过低成本、易实施的实践，学生通过水分解产生氢气，并用于氨合成的教学模拟。活动将重要的化学原理置于工业背景下，同时促进对环境影响和可持续替代方案的批判性讨论。其多功能性允许综合探索热力学、化学平衡、动力学和催化，将普通化学概念与当代全球问题联系起来。使用简单易得的材料使实验适用于多样化的教学实验室，从而拓宽其教学覆盖面。因此，该活动促进了主动性和反思性学习——这是当今化学家教育中至关重要的特征。