空氣變糧食——新方法實現綠色合成氨

材料牛註：氨是化肥工業和其它基本有機化學工業的主要原料，合成氨工業與國計民生息息相關。目前通用的Haber-Bosch法代價是巨大的，每年消耗掉全球總能耗的1%以上，且要排放數億噸CO2。最近日本北海道大學的研究人員開發出一套全新的系統，有望實現綠色低碳地合成氨。

氨是化肥和其它多種化學產品的原材料。氨氣不易燃、不易爆，且液化相對容易，極有希望成為下一代化學能的載能體。因此合成氨與國計民生息息相關。目前合成氨工業流行的仍是Haber-Bosch法，即氫氣和氮氣在催化劑、高溫、高壓下轉化為氨，但是這一反應能耗巨大。每年超過全世界總能耗1%的能量都是被Haber-Bosch過程消耗的。

最近日本北海道大學電子科學研究所Hiroaki Misawa 教授和Tomoya Oshikiri助理教授帶領的研究團隊，開發出一套通過等離子體誘發電荷分離，使氮選擇性轉換為氨的系統。該系統能利用氮氣和水，在可見光輻照條件下，同時產生氨氣和氧氣。這種全新的方法，實現了綠色低碳地合成氨，已經引起社會各界的廣泛關注。

在固氮作用中，釕（Ru）是常用的催化劑，但是釕對氫原子(H)的吸附作用遠強於氮原子(N)。該團隊發現了一種能選擇性吸附氮氣的助催化劑，即鋯（Zr），從而開發出一套化學模擬光合作用的裝置。該裝置主體是附著有金納米顆粒（Au-NPs）的鈮摻雜的鈦酸鍶（Nb-SrTiO3）光電極，其上包覆著一層鋯/氧化鋯薄膜（Zr/ZrOx）。有了這種能將光線集中到納米級空間內的光學天線結構和能選擇性吸收氮氣的助催化劑，在可見光輻照的條件下，就可以利用水和大氣中的氮成功合成氨了。

把太陽能轉換為可存儲的化學能的人工光合作用系統的研究與開發一直是一項備受關注的課題。未來，該團隊如果能通過提高反應效率和拓寬響應波段實現這一方法的商業化，必將為解決全球範圍內的能源危機問題作出巨大貢獻。這種清潔高效的「光能合成制氨法」也有望成為終極的光能轉換體系。也許到了那一天，空氣變糧食，天上掉餡餅也不是白日夢了。

本文由材料人網編輯部盧天驕編譯，薛文嘉審核。

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