科學家發現室溫合成氨工藝，既節能還能發電

一個世紀前，德國化學家弗里茨·哈伯（Fritz Harber）發明了利用氫氣與氮氣製備氨的新技術，並因此榮獲1918年的諾貝爾化學獎。時至今日，該方法仍被廣泛應用。它的出現可謂引發了人類社會的農業革命。

但是，該合成氨工藝苛刻的反應條件（高溫高壓），消耗了大量的社會能源（約佔全世界能源總消耗的的百分之一）。如何降低合成氨的能源消耗，一直是化學家們思索的問題，畢竟，氨在當今社會仍然是一種非常重要的肥料。

近日，猶他大學的化學家們公布了一種合成氨的新方法：他們用自然界的酶作催化劑，在室溫條件下成功製備出氨氣。這一獨闢蹊徑的工藝還有一個額外的「小饋贈：反應過程會產生電流，儘管非常微小。該方法發表在《應用化學·國際刊》（Angewandte Chemie International Edition）上。

儘管到目前為止，猶他大學化學和材料科學工程教授雪莉·敏特爾（Shelley Minteer）與博士後學者羅斯·彌爾頓（Ross Milton）僅用這一方法製備出少量的氨氣，但是他們的發現或許為我們開啟了低能耗合成氨的新思路。

敏特爾教授說：「我們使用的合成氨方法是一個自發的過程。反應過程不僅不需要向系統提供能量，實際上它還能自己產生電力。

氨的製備方法

化學合成法

無論是哈伯-博世工藝（以卡爾·博世命名，他將哈伯的合成氨工藝推向了工業化生產），還是由敏特爾-彌爾頓開發的合成氨工藝，都遵循著最基本的化學原理—先斷開氮分子中兩個氮原子之間的強化學鍵，然後再用氫還原氮，即氫向氮提供電子與質子（氨分子是由一個氮原子和三個氫原子組成的）。

在哈伯-博世工藝過程之中，氫氣和氮氣在高溫高壓（250個大氣壓，500℃高溫）的條件下被泵送到金屬催化劑床層上，以促進反應的發生。目前，這一工藝每年為我們提供近5億噸氨。

模擬電池法

在生物學中，氣態氮轉化為氨的過程被稱為氨的「固化，並且有多種不同的實現途徑。其中之一即利用一種稱為固氮酶的生物酶。它是目前人們已知的唯一一種能將氣態氮直接還原為氨的酶，常存在於一些細菌中。在燃料電池領域，關於這種生物酶的研究並不多見，主要是因為這種酶還無法商業化獲取，而且其整個過程必須在無氧環境中進行。

敏特爾與彌爾頓設想了一種利用固氮酶與固氫酶來模仿生物固氮過程的燃料電池系統。敏特爾在西班牙催化和石油化學（Catalysis and Petroleoquimica）研究所的合作者十分慷慨地提供了該系統中所需要的固氫酶，它能將氫氣中的電子剝離，並將其供於氮氣的還原反應中。

敏特爾說，「我們的研究團隊做得最棒的事情是，設計了這種酶與電極之間的界面，從而使其能夠與電極表面進行聯繫。

他們設計的這一燃料電池有兩個分隔開的電極室，並由碳紙電極連接。在其中的一個小瓶中（陽極），氫氣被氫化酶氧化，並且產生的電子被輸送到陽極碳紙電極。而在另一個小瓶里（陰極），從陽極過來的電子又從陰極碳紙電極脫離，並且通過氮化酶與氮結合以產生氨。

組裝式N2 / N2燃料電池：碳紙電極插入燃料電池的陽極（左）和陰極（右）室。

電子通過電路從陽極移動到陰極。質子（氧化的氫原子）穿過陽極室和陰極室之間的隔膜，提供合成氨所需的氫原子。

電子的定向運動產生了電流--這就是該合成氨方法產生電力的來源。

工業化難題

敏特爾與彌爾頓有意將他們的小規模合成氨工藝進行工業化生產，但這一行動還面臨著幾個嚴峻的挑戰。首先是固氮酶對氧氣極度的敏感。其次則是化學合成中難以獲取的ATP（三磷酸腺苷），它為細胞以及生物固氮的過程提供能量。彌爾頓說，我們將重新設計這一反應，以避免使用ATP，進而使這種燃料電池「步入一個新階段。

但不管目前還怎樣，這項工作最為顯著的意義在於：與以往以大規模能量投入為特色的工業合成氨生產工藝截然不同，這種新工藝能以十分節能的方式實現氨的合成。