氨的工業生產主要用於合成肥料，這是上世紀綠色革命的燃料，也是世界上最大的化學市場品種，但也是能源密集度最高的市場之一。在全球範圍內，製造氨的哈伯-波什工藝使用了所有化石燃料的1%，產生了所有二氧化碳排放量的1%，使其成為氣候變化的主要貢獻者。現在，加州大學伯克利分校的化學家們已經朝著使氨的生產更加環保的方向邁出了一大步：用”更綠色”的氨來製造”更綠色”的化肥。

穿過多孔金屬有機框架的橫截面，顯示出銅原子（橙色）被含有氧（紅色）和碳（灰色）的有機連接分子（環己烷二甲酸酯）限制在一個剛性結構裡。氨裂解了這個三維框架中的銅氧鍵，使其轉變為一維的聚合物。當氨被趕走時，這個多孔的三維框架就會重新組裝起來。資料來源：加州大學伯克利分校Jeffrey Long實驗室

以較少的能源投入製造氨的一個主要絆腳石是將氨與反應物–主要是氮和氫分離，而不需要哈伯-波什工藝所要求的巨大溫度和壓力波動。該反應發生在大約300至500攝氏度之間，但氨是通過將氣體冷卻到大約-20 ºC來去除的，在這一點上，氣態氨會凝結成液體。該過程還需要將反應物加壓至約150-300倍大氣壓。所有這些都需要來自化石燃料的能量。

氨分離的替代方法可以為在不太極端的條件下運行的替代工藝打開大門。為了解決這個問題，加州大學伯克利分校的化學家們設計並合成了多孔材料–金屬有機框架，或稱MOF–能夠在中等壓力和175℃左右的溫度下結合併釋放氨。由於MOF不與任何反應物結合，氨的捕獲和釋放可以在較小的溫度波動下完成，從而節省能源。

領導這項研究的加州大學伯克利分校博士後本傑明-斯奈德（Benjamin Snyder）說：”化肥生產脫碳的一個巨大挑戰是找到一種材料，可以捕獲並釋放非常大量的氨，最好是以最小的能源投入。也就是說，人們不希望在材料中投入大量的熱量來迫使氨分離，同樣，當氨被吸收時，也不希望產生大量的廢熱。”

在較低溫度和壓力下運行的工藝的一個關鍵優勢是，氨以及肥料可以在離農民更近的小型設施中生產，甚至在農場現場生產，而不是在大型的集中化工廠中生產。

斯奈德和該論文的資深作者、加州大學伯克利分校化學和生物分子工程系教授杰弗裡-朗將於本週在《自然》雜誌上發表他們的MOF研究細節。本月，斯奈德加入了伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的化學系，擔任助理教授。

據斯奈德說，許多研究人員正在研究如何使哈伯-波斯工藝–它可以追溯到20世紀初–更加可持續。這包括利用太陽能將水分成氫氣和氧氣來生產一種主要的反應物–氫氣。今天，氫氣通常從天然氣中獲得，其中大部分是甲烷，在反應中會釋放出二氧化碳，這是主要的溫室氣體。

其他綠色改造包括在較低溫度和壓力下操作的新型催化劑，使氫氣與氮氣（通常從空氣中獲取）反應，形成氨氣，即NH3。

但在反應後從混合物中去除氨仍然很困難，多孔材料如沸石無法吸收和釋放大量的氨。而人們嘗試過的其他MOFs往往在氨的存在下解體，而氨具有高度腐蝕性。

斯奈德的創新是嘗試一種相對較新的MOF品種，它採用了由稱為環己烷二甲酸酯的有機分子連接的銅原子來創造剛性和高度多孔的MOF結構。令他驚訝的是，氨氣並沒有破壞這種MOF，而是將其轉化為含銅和氨的聚合物鏈，這種聚合物具有極高的儲存氨的密度。此外，這些聚合物鏈在相對較低的溫度下很容易釋放它們所結合的氨，在這個過程中把材料恢復到其最初的剛性、多孔的MOF結構。

當把這個框架暴露在氨氣中時，它完全改變了其結構，開始時是一種多孔的三維材料，而在暴露於氨氣後，它實際上解開了自己，形成了一種聚合物，可以把它想像成一捆繩子。這種真正不尋常的吸附機制使其能夠吸收大量的氨。在相反的過程中，當移除氨時，聚合物會以某種方式將自己編織成一個三維框架，這是這種材料最引人注目的特徵之一。

斯奈德發現，MOF可以被調整為在很大的壓力範圍內吸收和釋放氨，使其更能適應任何反應條件，以最有效地從可持續的反應物中生產氨。

氨捕獲只是工藝升級的一部分，製造更綠色的氨仍然是一項正在進行的工作。