空气变粮食——新方法实现绿色合成氨

材料牛注：氨是化肥工业和其它基本有机化学工业的主要原料，合成氨工业与国计民生息息相关。目前通用的Haber-Bosch法代价是巨大的，每年消耗掉全球总能耗的1%以上，且要排放数亿吨CO2。最近日本北海道大学的研究人员开发出一套全新的系统，有望实现绿色低碳地合成氨。

氨是化肥和其它多种化学产品的原材料。氨气不易燃、不易爆，且液化相对容易，极有希望成为下一代化学能的载能体。因此合成氨与国计民生息息相关。目前合成氨工业流行的仍是Haber-Bosch法，即氢气和氮气在催化剂、高温、高压下转化为氨，但是这一反应能耗巨大。每年超过全世界总能耗1%的能量都是被Haber-Bosch过程消耗的。

最近日本北海道大学电子科学研究所Hiroaki Misawa 教授和Tomoya Oshikiri助理教授带领的研究团队，开发出一套通过等离子体诱发电荷分离，使氮选择性转换为氨的系统。该系统能利用氮气和水，在可见光辐照条件下，同时产生氨气和氧气。这种全新的方法，实现了绿色低碳地合成氨，已经引起社会各界的广泛关注。

在固氮作用中，钌（Ru）是常用的催化剂，但是钌对氢原子(H)的吸附作用远强于氮原子(N)。该团队发现了一种能选择性吸附氮气的助催化剂，即锆（Zr），从而开发出一套化学模拟光合作用的装置。该装置主体是附着有金纳米颗粒（Au-NPs）的铌掺杂的钛酸锶（Nb-SrTiO₃）光电极，其上包覆着一层锆/氧化锆薄膜（Zr/ZrO_x）。有了这种能将光线集中到纳米级空间内的光学天线结构和能选择性吸收氮气的助催化剂，在可见光辐照的条件下，就可以利用水和大气中的氮成功合成氨了。

把太阳能转换为可存储的化学能的人工光合作用系统的研究与开发一直是一项备受关注的课题。未来，该团队如果能通过提高反应效率和拓宽响应波段实现这一方法的商业化，必将为解决全球范围内的能源危机问题作出巨大贡献。这种清洁高效的“光能合成制氨法”也有望成为终极的光能转换体系。也许到了那一天，空气变粮食，天上掉馅饼也不是白日梦了。

文献链接：Selective Dinitrogen Conversion to Ammonia Using Water and Visible Light through Plasmon-induced Charge Separation

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原文参考链接Successful synthesis of ammonia using visible light, water, and atmospheric nitrogen

本文由编辑部卢天骄编译，薛文嘉审核。