生產足夠的氨來維持全球糧食生產會產生大量的碳足跡；由布法羅大學領導的一項新研究概述了有助於解決這一問題的過程。這種突破性的工業反應將氫氣和氮氣結合生成氨氣，是為全球大部分人口提供食物的合成肥料的基礎。 它在促進上世紀人口激增方面發揮了關鍵作用。

克里斯李（Chris Li）團隊開發的等離子電化學反應器可將空氣中的氮轉化為氨，且不產生碳足跡。 圖片來源：Douglas Levere/布法羅大學

然而，這個過程也對子孫後代構成了重大威脅。 它約佔全球能源消耗的2%，而它所需的氫主要來自化石燃料。

由布法羅大學（University at Buffalo）領導的研究小組受到大自然自身生產氨的方法（如透過閃電）的啟發，開發了一種革命性的反應器。 該裝置可直接利用空氣和水中的氮氣生產氨氣，而且零碳排放。

《美國化學學會學報》上發表的一項研究詳細介紹了這種等離子體電化學反應器，它可在室溫下運行，每天可持續生產約1 克氨，持續時間超過1000 小時，而且無需依賴化石燃料。

研究人員說，這是在具有工業競爭力的生產率和反應穩定性的綠色氨合成方面取得的重大進展。

「氨通常被認為是養活世界的化學物質，但我們也必須認識到，哈伯-博什工藝自100 年前發明以來一直沒有現代化。它仍然使用高溫高壓處理，並產生大量碳足跡，從長遠來看是不可持續的，」該研究的通訊作者、UB 藝術與科學學院化學系助理教授Chris Li 博士說。 “我們的製程只需要空氣和水，而且可以用再生電力驅動。”

大自然有自己生產肥料的方式。在固氮作用中，雷擊的電能擊碎大氣中的氮分子，形成不同的氧化氮物種。 氮氧化物隨雨水落下後，被土壤中的細菌轉化為氨，為植物提供養分。

在該大學團隊領導的兩步驟反應器中，閃電的作用被等離子體取代，細菌的作用被銅鈀催化劑取代。

李說：”我們的等離子反應器將加濕空氣轉化為氧化氮碎片，然後將其放入電化學反應器中，利用銅鈀催化劑將其轉化為氨。”

最重要的是，催化劑能夠吸附並穩定等離子體反應器產生的大量二氧化氮中間產物。 研究團隊的圖論演算法發現，大多數氮氧化物化合物在變成氨之前都必須經過一氧化氮或胺作為中間步驟。 這樣，研究團隊就能巧妙地設計出一種催化劑，與這兩種化合物結合。

“當等離子體能量或雷擊激活氮氣時，就會產生氮氧化合物湯。在我們的研究中，要同時將多達八種不同的化合物轉化為氨氣，難度可想而知，”該研究的第一作者、李博士實驗室的博士後研究員葛曉麗說。 「圖論本質上允許我們繪製出所有不同的反應路徑，然後找出瓶頸化學品。 然後，我們對電化學反應器進行優化，以穩定瓶頸化學品，從而將所有不同的中間產物選擇性地轉化為氨。

李的團隊目前正在擴大其反應器的規模，並正在探索新創公司和與工業界的合作，以幫助其商業化。 哥倫比亞大學的技術轉移辦公室已就該反應器及其使用方法提交了專利申請。

全球一半以上的氨氣是由中國、美國、俄羅斯和印度這四個國家生產的，而許多發展中國家卻無法生產自己的氨氣。 哈伯-博什製程必​​須在中央發電廠大規模進行，而李說，他們的系統可以在小得多的規模上進行。

他說：”你可以想像我們的反應器裝在一個中型集裝箱裡，屋頂裝有太陽能電池板。 這可以放置在世界任何地方，並根據該地區的需求生產氨，”這是我們的系統一個非常令人興奮的優勢，它將使我們能夠為不發達地區生產氨，而這些地區使用哈伯-博什工藝的機會有限。 “

編譯自/ scitechdaily