制造氨的新方法可能会削弱全球能源的使用

斯坦福大学的研究人员发现了一种简单且环保的方法，可以用空气中的微小水和氮滴制造氨。

氨(新罕布什尔州3)是生产农作物化肥的起点。一个多世纪以来，世界一直依靠哈伯-博世工艺来生产大量氨，这一突破帮助彻底改变了农业并养活了蓬勃发展的人口。但工业过程是能源密集型的。为了打破氮气的强键，哈伯-博世工艺需要大约80-300个大气压的压力和572-1000华氏度(300-500摄氏度)左右的温度。该过程所涉及的天然气蒸汽处理也会释放大量气候变化的二氧化碳。

总而言之，为了满足目前全球每年对150.2亿公吨氨的需求，哈伯-博世工艺吞噬了全球能源的1%以上，并占排放到大气中的二氧化碳的<>%左右。

相比之下，斯坦福大学研究人员首次推出的创新方法需要较少的专业环境。

“我们震惊地看到，我们可以在良性的日常温度和压力环境中产生氨，只需空气和水，并使用像喷雾器这样基本的东西，”研究资深作者Richard Zare说，Marguerite Blake Wilbur自然科学教授和斯坦福人文与科学学院化学教授。“如果这个过程能够扩大规模，它将代表一种制造氨的环保新方法，这是世界上最重要的化学过程之一。

新方法还以低能耗和低成本使用，从而为以可持续的方式生产有价值的化学品指明了前进的方向。斯坦福大学化学博士后学者Xiaowei Song是该研究的主要作者，该研究于10月<>日发表在《美国国家科学院院刊》上。

来自蓝天研究的新化学

发现的新化学物质遵循了Zare实验室近年来研究长期被忽视且令人惊讶的高反应性水滴的开创性工作的脚步。在2019年的一项研究中，Zare及其同事新颖地证明了苛性过氧化氢在与表面接触的微滴中自发形成。此后的实验已经证实了电荷在液体和固体材料之间跳跃并产生分子碎片的机制，称为活性氧。

为了进一步了解这些发现，Song和Zare开始与该研究的共同作者Basheer Chanbasha合作，他是沙特阿拉伯法赫德国王石油和矿产大学的化学教授。Chanbasha专门研究用于能源，石化和环境应用的纳米材料，并于去年夏天作为访问学者来到斯坦福大学。

研究小组将注意力集中在一种催化剂上 - 任何提高化学反应速率但本身不会因反应而降解或改变的物质的术语 - 他们怀疑这种催化剂可能有助于开辟通往氨的化学途径。该催化剂由一种称为磁铁矿的氧化铁和 1960 年代发明的合成膜组成，该膜由两个大分子的重复链组成。

研究人员将催化剂应用于Song掺入气体动力喷雾器的石墨网。喷雾器喷出微滴，其中泵送水(H2O)和压缩分子氮(N2)在催化剂存在下一起反应。使用一种称为质谱仪的设备，Song分析了微滴的特征，并在收集的数据中看到了氨的特征。

低技术、低能量的氨合成

Zare及其同事对这一结果非常满意，特别是考虑到相对较低的技术方法。“我们的方法不需要施加任何电压或形式的辐射，”Zare说。

从更广泛的化学角度来看，该方法的显着之处在于它使用物质的三相：氮气作为气体，水作为液体，催化剂作为固体。“据我们所知，同时使用气体，液体和固体引起化学转化的想法是同类产品中的首创，并且在推进其他化学转化方面具有巨大潜力，”Zare说。

虽然前景广阔，但扎尔、宋、昌巴沙透露的氨生产方法目前还只是在示范阶段。研究人员计划探索如何浓缩产生的氨，并衡量该过程如何可能扩大到商业上可行的水平。虽然哈伯-博世只有在大型设施中才能高效，但新的氨制造方法可以是便携式的，可以在现场完成，甚至可以在农场按需完成。反过来，这将削减与从遥远的工厂运输氨有关的温室气体排放。

“随着进一步发展，我们希望我们的氨生成方法可以帮助解决两个迫在眉睫的主要问题，即继续养活地球上不断增长的数十亿人口，同时仍然减缓气候变化，”Zare说。“我们希望和兴奋地继续这一研究方向。

Zare还是斯坦福Bio-X，心血管研究所，斯坦福癌症研究所，斯坦福ChEM-H，斯坦福伍兹环境研究所和吴仔神经科学研究所的成员。