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滴和氮气制造氨。氨(NH3)是生产农作物化肥的原料。一个多世纪以来，世界一直依赖Haber-Bosch工艺来大量生产氨，这一突破帮助实现了农业革命并养活了蓬勃发展的人口。但工业过程是能源密集型的。为了打破氮的强键，Haber-Bosch工艺需要大约80-300个大气压和大约572-1000F(300-500C)的温度。该过程中涉及的天然气蒸汽处理也会释放出大量改变气候的二氧化碳。

总而言之，为了满足目前全球每年对1.5亿公吨氨的需求，Haber-Bosch工艺消耗了全球2%以上的能源，约占排放到大气中的二氧化碳的1%。

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。

“我们很震惊地看到，我们可以在良性的、日常温度和压力环境中产生氨，只需要空气和水，并使用像喷雾器这样基本的东西，”该研究的资深作者、玛格丽特·布莱克·威尔伯(MargueriteBlakeWilbur)自然科学教授理查德·扎尔说。斯坦福大学人文与科学学院的科学和化学教授。“如果这个过程可以扩大规模，它将代表一种环保的新氨制造方法，这是世界上发生的最重要的化学过程之一。”

新方法还使用很少的能源和低成本，从而为以可持续的方式潜在地生产有价值的化学品指明了方向。斯坦福大学化学博士后学者XiaoweiSong是该研究的主要作者，该研究于4月10日发表在美国国家科学院院刊上。

来自蓝天研究的新化学

发现的新化学物质紧随Zare实验室近年来开创性工作的脚步，研究了水微滴长期被忽视和惊人的高反应性。在2019年的一项研究中，Zare及其同事新颖地证明了腐蚀性过氧化氢会在与表面接触的微滴中自发形成。此后的实验证实了电荷在液体和固体材料之间跳跃并产生分子碎片(称为活性氧)的机制。

进一步研究这些发现，Song和Zare开始与该研究的合著者BasheerChanbasha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催化剂上——催化剂是指任何能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——他们怀疑这种物质可能有助于开辟一条通往氨的化学途径。这种催化剂由一种叫做磁铁矿的氧化铁和一种在1960年代发明的合成膜组成，后者由两个大分子的重复链组成。

研究人员将催化剂应用于石墨网，Song将其整合到气动喷雾器中。喷雾器喷出微滴，其中泵送的水(H2O)和压缩的分子氮(N2)在催化剂存在下一起反应。使用称为质谱仪的设备，Song分析了微滴的特性，并在收集的数据中看到了氨的特征。

低技术、低能耗合成氨

Zare及其同事对这一结果非常满意，尤其是考虑到技术含量相对较低的方法。“我们的方法不需要施加任何电压或辐射形式，”Zare说。

从更广泛的化学角度来看，该方法的非凡之处在于它使用了物质的三相：氮气、水和液体催化剂。“据我们所知，同时使用气体、液体和固体来引起化学转化的想法是同类中的第一个，并且具有推进其他化学转化的巨大潜力，”Zare说。

虽然前景广阔，但Zare、Song和Chanbasha揭示的氨生产方法目前仅处于示范阶段。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Haber-Bosch只有在大型设施中追求效率，但新的制氨方法可以携带并在现场或什至在农场按需完成。反过来，这将减少与从遥远的工厂运输氨有关的温室气体排放。

“随着进一步的发展，我们希望我们的氨生成方法能够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，同时仍能缓解气候变化，”Zare说。“我们对继续这一研究充满希望和兴奋。”

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WuTsai神经科学研究所的成员。

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