“人造闪电”制绿氨：空气变燃料不是梦
发布日期：2025/7/10
首图来源：Hemanth Sandesh Vaddi
想象一下，如果人类能像大自然中的闪电一样，将空气中的氮气直接转化为氨——这种重要的清洁能源载体，同时还是支撑全球粮食生产的关键化学品，那该有多酷？
最近，一项发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie）上的研究，让这一愿景离现实更近了一步。
澳大利亚悉尼大学和中国浙江大学的科学家们受闪电启发，利用等离子体技术模拟闪电的“空气活化”能力，共同开发出了一种高效、环保的“绿氨”合成方法。
在自然界中，闪电的巨大能量可以瞬间将空气中的氮气（N₂）和氧气（O₂）结合，生成氮氧化物（NOₓ）。这些NOₓ随雨水进入土壤，被微生物转化为植物可吸收的氨（NH₃）。
图说：自然界中的闪电
来源：Technology Networks
氨除了是化肥的主要原料之外，还是一种强有力的零碳燃料。由于其在储存和运输方面的明显优势，氨正在从最传统的农业化肥领域向船舶未来燃料领域拓展。
该行业约占全球温室气体排放量的3%。迫于减排压力，国际能源机构（IEA）发表的《2020能源展望》报告显示，预计到2060年将有60％ 以上的新船使用氨或氢燃料。
而且，氨可以通过“裂解”来分离氢分子，从而获取氢气，这意味着它可以作为有效的氢能载体和来源，甚至成为储存和运输氢气的有效方式。
然而，工业上生产氨的“哈伯-博世法”却需要高温（400–500°C）、高压（200–300大气压），并消耗全球约1-2%的能源，同时还会排放大量CO₂。
目前，全球90%的氨生产依赖于哈伯-博施法。科学家们一直在寻找更温和、更清洁的制氨方式，比如电解水制氢，再与从空气中分离的氮气进行结合制出“绿氨”。
“我们需要一种低成本、分散且可扩展的绿氨。”首席研究员、 悉尼大学化学与生物分子工程学院和净零研究所的PJ Cullen教授说道。他的团队已经致力于绿色氨的生产六年了。
而闪电的自然过程则为研究人员提供了一种新的灵感——如果能用人工等离子体（类似闪电的带电气体）活化空气，再用电催化技术将其转化为氨，岂不是既高效又环保？
“在这项研究中，我们成功开发出一种方法，可以利用电力将空气转化为气态氨。这朝着我们的目标迈出了一大步。” Cullen教授表示。
图说：用于启动绿氨生产过程的等离子柱
来源：PJ Cullen
研究团队设计了一套“等离子体-电催化”系统，将空气直接转化为氨。整个过程分为两个关键阶段：等离子体活化空气与电催化还原。
首先，研究人员使用非热等离子体（NTP）轰击空气，模拟闪电的作用。在高压电场作用下，气体分子（N₂和O₂）被电离，形成高能电子、离子和自由基。
氮气（N₂）的化学键被直接“劈开”，与氧气结合生成高活性氮氧化物（NOₓ，包括NO和NO₂）。
相比传统方法，这一步无需分离氮气和氧气，直接利用空气即可，大大降低成本。
通过调整电压、气体流速和放电频率，团队找到了NOₓ生成效率最高的条件，确保后续步骤的原料充足。
然后，该团队将这些激发的分子送入电催化反应器——一个看似不起眼的银盒子，通过电化学方式将激发的分子转化为氨。
图说：用于转化氨气的膜式电催化反应器
来源：PJ Cullen
在这一步中，研究团队还开发出一种基于铜的新型催化剂——富含氧空位的Fe₂O₃纳米颗粒负载铜（Fe₂O₃ NPs/Cu）。
纯铜片（P-Cu）被放入氧等离子体反应器，高能氧离子轰击铜表面，形成氧化铜（CuₓO）并引入大量氧空位（OVs）。
将等离子体处理后的CuₓO浸入铁盐（如Fe(NO₃)₃）溶液，氧空位和Cu⁺/Cu²⁺的电子效应使Fe³⁺紧密吸附在表面，形成Fe-O-Cu键。
在氮气保护下加热，Fe³⁺转化为超细Fe₂O₃纳米颗粒（<10 nm），均匀分布在铜表面。此时，氧空位被完美保留，成为后续催化反应的活性中心。
这些氧空位就像“化学陷阱”，能牢牢抓住NOₓ分子，并通过电催化将其一步步还原为NH₃。
研究人员将催化剂作为阴极（还原电极），铂片作为阳极，中间用质子交换膜隔开，搭建起了电催化反应装置。
当含NOₓ的气体通入阴极室，就会在电场驱动下发生还原反应——NOₓ分子吸附在催化剂的氧空位上，接受电子和质子（H⁺），逐步氢化为NH₃。
实验结果显示，在300 mA电流下，法拉第效率接近100%，这意味着几乎所有电子都用于生成氨，几乎没有浪费；产氨速率高达628 nmol·s⁻¹·cm⁻²，比普通铜催化剂高出一个数量级。
此外，传统电催化制氨通常在水溶液中进行，产物是NH₄⁺（铵离子），需要额外步骤提取氨。
而这项技术直接生成气态NH₃，可以用多孔材料（如金属有机框架，MOFs）进行高效分离和捕获，以供进一步利用。
Cullen教授认为，该实验成果标志着绿氨生产进入了一个新的阶段。
新方法可在常温常压下运行，避免了大量碳排放，且可将NOₓ完全转化为氨，无污染副产物，其电催化过程也可以与太阳能、风能等可再生能源结合。
“不过，为了创造更完整的可持续氨生产解决方案，我们仍然需要提高电催化反应器组件的能源效率。” Cullen教授表示。
来源：环球零碳 作者：Bell
