斯坦福大學的研究人員發現了一種利用小水滴和空氣中的氮氣生產氨的環境友好方法。氨（NH3）是製造用於農作物的化學肥料的基礎。100多年來，全球氨的大量生產一直依賴於哈伯-博世工藝。這一工業突破對農業產生了重大影響，使迅速增長的人類人口得到了食物。

然而，哈伯-波什工藝是極其能源密集型的，需要80-300個大氣壓的高壓水平和572-1000華氏度（300-500攝氏度）的溫度來打破氮的強鍵。此外，該過程中涉及的天然氣蒸汽處理極大地促進了二氧化碳的釋放，而二氧化碳是導致氣候變化的一個關鍵因素。

氨是一種無色的刺鼻氣體，化學式為NH3。它是一種天然存在的化合物，在氮氣循環中發揮著重要作用，並被用作生產化肥、塑料和其他化學品的組成部分。它還被用作製冷劑和清洗劑。

總而言之，為了滿足目前全球每年1.5億公噸的氨氣需求，哈伯-博世工藝佔用了全球2%以上的能源，並佔排放到大氣中的二氧化碳的約1%。

相比之下，斯坦福大學研究人員首次提出的創新方法需要的專門環境較少。

該研究的高級作者、斯坦福大學人文與科學學院自然科學Marguerite Blake Wilbur教授和化學教授Richard Zare說：”我們震驚地看到，我們可以在良性的、日常的溫度和壓力環境中，只用空氣和水，使用像噴霧器這樣基本的東西來產生氨。如果這個過程可以擴大規模，它將代表一種生態友好的製造氨的新方法，這是世界上最重要的化學過程之一”。

這種新方法還使用很少的能源，而且成本很低，因此為可能以可持續的方式生產這種有價值的化學品指出了一條道路。斯坦福大學化學博士後學者Xiaowei Song是這項研究的主要作者，該研究最近發表在《美國國家科學院院刊》上。

所發現的新化學是沿著Zare實驗室近年來研究長期被忽視的、令人驚訝的水微滴的高反應性的開創性工作的腳步進行的。在2019年的一項研究中，Zare及其同事創造性地證明了腐蝕性的過氧化氫在與表面接觸的微滴中自發形成。此後的實驗證實了電荷在液體和固體材料之間跳躍並產生分子碎片的機制，即所謂的活性氧物種。

基於這些發現，Song和Zare開始與研究的共同作者Basheer Chanbasha合作，他是沙特阿拉伯法赫德國王石油和礦業大學的化學教授。Chanbasha專門研究用於能源、石油化工和環境的納米材料，去年夏天作為訪問學者來到斯坦福。

研究小組將目光鎖定在一種催化劑上–該術語指的是能夠提高化學反應速度但本身不會被反應降解或改變的任何物質–他們懷疑這種催化劑能夠幫助開闢一條通往氨的化學途徑。這種催化劑由一種叫做磁鐵礦的氧化鐵和一種在20世紀60年代發明的合成膜組成，這種合成膜由兩個大分子的重複鏈組成。

研究人員將催化劑應用於石墨網，Song將其納入一個氣體動力噴霧器。噴霧器噴射出微滴，其中泵送的水（H2O）和壓縮的分子氮（N2）在催化劑的存在下一起反應。通過使用一種叫做質譜儀的設備，Song分析了微液滴的特性，並在收集的數據中看到了氨的特徵。

Zare及其同事對這一結果非常滿意，特別是考慮到這一相對低技術的方法。Zare說：”我們的方法不需要應用任何電壓或輻射形式。從更廣泛的化學角度來看，該方法的非凡之處在於它使用了物質的三個階段：作為氣體的氮，作為液體的水，以及作為固體的催化劑。據我們所知，同時使用氣體、液體和固體來引起化學轉化的想法是首創的，對推動其他化學轉化有巨大的潛力。”

雖然很有希望，但Zare、Song和Chanbasha所揭示的氨氣生產方法目前還只是處於示範階段。研究人員計劃探索如何濃縮所生產的氨，以及衡量該工藝如何能夠潛在地擴大到商業上可行的水平。雖然哈伯-博世公司只有在巨大的設施中才是有效的，但新的製氨方法可以是便攜式的，在現場甚至在農場按需進行。反過來，這將減少與從遙遠的工廠運輸氨有關的溫室氣體排放。

Zare說：”隨著進一步的發展，我們希望我們的合成氨生產方法可以幫助解決兩大迫在眉睫的問題，即繼續為地球上不斷增長的數十億人口提供食物，同時仍然緩解氣候變化。我們對繼續這一研究方向充滿了希望和興奮”。