只需加水：斯坦福大学的研究人员发现了一种简单而环保的方法来制造氨气

斯坦福大学的研究人员发现了一种利用小水滴和空气中的氮气生产氨的环境友好方法。氨（NH3）是制造用于农作物的化学肥料的基础。100多年来，全球氨的大量生产一直依赖于哈伯-博世工艺。这一工业突破对农业产生了重大影响，使迅速增长的人类人口得到了食物。

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然而，哈伯-波什工艺是极其能源密集型的，需要80-300个大气压的高压水平和572-1000华氏度（300-500摄氏度）的温度来打破氮的强键。此外，该过程中涉及的天然气蒸汽处理极大地促进了二氧化碳的释放，而二氧化碳是导致气候变化的一个关键因素。

氨是一种无色的刺鼻气体，化学式为NH3。它是一种天然存在的化合物，在氮气循环中发挥着重要作用，并被用作生产化肥、塑料和其他化学品的组成部分。它还被用作制冷剂和清洗剂。

总而言之，为了满足目前全球每年1.5亿公吨的氨气需求，哈伯-博世工艺占用了全球2%以上的能源，并占排放到大气中的二氧化碳的约1%。

相比之下，斯坦福大学研究人员首次提出的创新方法需要的专门环境较少。

该研究的高级作者、斯坦福大学人文与科学学院自然科学Marguerite Blake Wilbur教授和化学教授Richard Zare说："我们震惊地看到，我们可以在良性的、日常的温度和压力环境中，只用空气和水，使用像喷雾器这样基本的东西来产生氨。如果这个过程可以扩大规模，它将代表一种生态友好的制造氨的新方法，这是世界上最重要的化学过程之一"。

这种新方法还使用很少的能源，而且成本很低，因此为可能以可持续的方式生产这种有价值的化学品指出了一条道路。斯坦福大学化学博士后学者Xiaowei Song是这项研究的主要作者，该研究最近发表在《美国国家科学院院刊》上。

所发现的新化学是沿着Zare实验室近年来研究长期被忽视的、令人惊讶的水微滴的高反应性的开创性工作的脚步进行的。在2019年的一项研究中，Zare及其同事创造性地证明了腐蚀性的过氧化氢在与表面接触的微滴中自发形成。此后的实验证实了电荷在液体和固体材料之间跳跃并产生分子碎片的机制，即所谓的活性氧物种。

基于这些发现，Song和Zare开始与研究的共同作者Basheer Chanbasha合作，他是沙特阿拉伯法赫德国王石油和矿业大学的化学教授。Chanbasha专门研究用于能源、石油化工和环境的纳米材料，去年夏天作为访问学者来到斯坦福。

研究小组将目光锁定在一种催化剂上--该术语指的是能够提高化学反应速度但本身不会被反应降解或改变的任何物质--他们怀疑这种催化剂能够帮助开辟一条通往氨的化学途径。这种催化剂由一种叫做磁铁矿的氧化铁和一种在20世纪60年代发明的合成膜组成，这种合成膜由两个大分子的重复链组成。

研究人员将催化剂应用于石墨网，Song将其纳入一个气体动力喷雾器。喷雾器喷射出微滴，其中泵送的水（H2O）和压缩的分子氮（N2）在催化剂的存在下一起反应。通过使用一种叫做质谱仪的设备，Song分析了微液滴的特性，并在收集的数据中看到了氨的特征。

Zare及其同事对这一结果非常满意，特别是考虑到这一相对低技术的方法。Zare说："我们的方法不需要应用任何电压或辐射形式。从更广泛的化学角度来看，该方法的非凡之处在于它使用了物质的三个阶段：作为气体的氮，作为液体的水，以及作为固体的催化剂。据我们所知，同时使用气体、液体和固体来引起化学转化的想法是首创的，对推动其他化学转化有巨大的潜力。"

虽然很有希望，但Zare、Song和Chanbasha所揭示的氨气生产方法目前还只是处于示范阶段。研究人员计划探索如何浓缩所生产的氨，以及衡量该工艺如何能够潜在地扩大到商业上可行的水平。虽然哈伯-博世公司只有在巨大的设施中才是有效的，但新的制氨方法可以是便携式的，在现场甚至在农场按需进行。反过来，这将减少与从遥远的工厂运输氨有关的温室气体排放。

Zare说："随着进一步的发展，我们希望我们的合成氨生产方法可以帮助解决两大迫在眉睫的问题，即继续为地球上不断增长的数十亿人口提供食物，同时仍然缓解气候变化。我们对继续这一研究方向充满了希望和兴奋"。

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