空气和水,再平常不过。但在科学家的巧思下,它们有望成为打开清洁能源世界的一把新钥匙。近日,日本东京大学工学院研究团队研发出一种在常温常压条件下,利用氮气(空气中含量最多的气体)和水合成为氨的新方法。未来,这一成果如得到广泛运用,不仅有助于打破制氨传统工艺对高温高压及化石能源的依赖,也为构建一个“氮循环社会”提供了可能。

 作为一种基础化工原料,氨的身影遍布现代工业与农业,从化肥生产到药品制造、从冷却剂到金属加工,均离不开它的参与。氨不仅与氢气一样在燃烧过程中不产生二氧化碳,还在存储和运输上具有更高的稳定性和经济性,因此被认为有望成为推动能源转型的重要载体。不过,目前合成氨主要仍使用20世纪初德国化学家哈伯发明的“循环法”,即通过加入催化剂使氢气和氮气在高温高压下合成氨。这一传统工艺存在高能耗、高碳排放等问题,并且高度依赖从煤和天然气等化石资源中提取氢气。

 为应对传统合成氨工艺面临的瓶颈,东京大学研究团队此前开发出一套热能驱动体系,跳过了氢气这个“中间站”,通过选用在有机化学中常见的碘化钐作为还原剂,只需将氮气、水与碘化钐、钼催化剂混合,即可在温和条件下完成氨的合成。相比传统高能耗方法,新工艺效率提高近100倍,且原料的利用率更高。不过,目前碘化钐在反应后无法循环使用,未来研究仍需攻克这一难题。

 在此基础上,该团队此次构建出一套由光驱动的新型合成氨体系。他们采用一种可高效捕获光能的铱基化合物,利用太阳光中的可见光部分为反应注入动力。在光照驱动下,配合钼催化剂和提供必需电子的叔膦,最终实现了以氮气和水为原料、在光照条件下直接合成氨分子的突破。该研究团队负责人西林仁昭介绍,若催化剂进一步优化,合成效率有望提升至原来的200倍。这一过程不仅条件温和,且不产生二氧化碳,进一步拓展了绿色合成氨的技术路径。

 “我相信我们可以从自然中寻找答案。”西林仁昭在接受采访时表示,他的灵感来源于自然界的“固氮奇迹”:某些植物如豆科作物,能与根瘤菌共生,通过体内的固氮酶,将空气中的氮转化为可供植物吸收的氨。他们希望开发出一种人工固氮酶,用清洁能源驱动氨的合成。目前,该团队的新方法虽已在实验中获得初步成功,但如何实现规模化、持续稳定的合成仍是重要挑战。“我们需要进一步提高反应效率、优化材料选择,并构建完整的系统集成方案。”西林仁昭表示,团队正与相关企业合作以推动实际应用。

 中国科学院大连化学物理研究所研究员郭建平介绍,直接用太阳光驱动氮气和水合成氨,是科学家长久以来的梦想。在全球范围内,围绕氨合成的技术也在加速演进,不论是热催化、仿生催化、光催化还是电催化,都在试图突破“绿色固氮”的关键瓶颈。日本团队的这项研究成果通过组合光能转化技术,实现了温和条件下利用光能合成氨,具有一定的突破意义。但是,目前这个“阳光转化器”的效率还比较低,核心材料成本也偏高,系统的耐用性和循环使用能力还需要科学家们继续攻关。

 在郭建平看来,在21世纪的清洁能源布局中,氢能被广泛视为理想的二次能源载体,但目前还存在氢气储运难、成本高等难题。相比之下,氨在常温下只需轻度冷却和加压即可液化,更适合船运与长时间储存。通过氨的热解,还可以在终端重新释放出氢气,实现“氢的搬运”。这使得氨不仅是能源载体,还是氢能的重要中转站,为未来氢能的广泛运用提供了更便捷的路径。当空气和水成为新的“原材料”,当阳光照射就能驱动反应,也许下一个能源时代正悄然降临。