氨是全球产量仅次于硫酸的重要化学品，主要用于生产化肥，对维持世界人口粮食供给至关重要。然而，氨的生产消耗了全球高达2%的能源，并贡献约1.5%的温室气体排放。因此，探索更可持续的氨生产方式已成为当务之急。
传统氨的生产方式
沿用百年有余的哈伯-博施法目前仍占氨生产的绝大多数份额，该工艺依赖化石燃料提供热量，所需氢气同样主要来源于化石燃料。虽然电化学法作为替代方案早已存在，但在所需生产规模下，其经济竞争力迄今远未达到实用水平。
麻省理工学院的研究突破
近日，麻省理工学院的研究人员开发出一种新方法，可预测哪些材料最有潜力作为电化学合成氨催化剂。催化剂能够推动化学反应进行，其特性决定着反应效率的高低。与其花费数年时间逐一测试数百万种可能的合金组合，这一新方法有望大幅加快筛选进程，从而使低排放电化学法在经济性上与哈伯-博施法相抗衡。
麻省理工学院核科学与工程及材料科学与工程系布林·科尔教席教授比尔吉·耶尔迪兹表示："我们的方法能识别出驱动氨合成催化活性的关键物理特性，研究结果将为寻找更有效的催化剂化合物提供方向。"
相关开放获取成果已于8月11日发表在英国皇家化学学会旗下期刊《EES Catalysis》上，论文作者包括耶尔迪兹及材料科学与工程系博士生康斯坦丁·阿塔尼提斯和化学系博士生菲利普·格拉杰夫斯基。
绿色氨生产面临的挑战
随着全球人口不断增长，阿塔尼提斯指出，"我们对粮食的需求只会与日俱增，而人类之所以能养活这么多人口，正是因为有了化肥。"然而，超过90%的化肥用氨仍由能源密集型哈伯-博施法生产，"该工艺自问世百年以来已被极度优化"。
"如果我们想实现社会可持续发展和气候目标，就必须找到替代方案。"他解释道。目前全球每年使用约2亿公吨氨，"我们希望找到一种方式，以更节能、更低碳的方法生产等量甚至更多的氨。"
电力制氨并非新概念，其原理是质子-电子对与氮气之间的电化学反应，与利用电力驱动化学反应的电解槽原理相同。但问题在于，该工艺目前还不够高效，无法满足工业规模生产的需求，"生产速率和产率仍然太低"。
更优催化剂的探索之路
提升竞争力的关键在于金属催化剂。阿塔尼提斯说："如果能找到一种催化剂，既能降低所需能量，又对氨的合成更具选择性，那就算是中了大奖。"更具选择性的催化剂意味着在减少副反应的同时产出更多氨。
耶尔迪兹表示："金属氮化物化合物是这一反应的理想材料体系，有助于识别决定氮还原和氨电合成活性的电子、化学和结构特性。"过渡金属有望形成适用于此目的的氮化物合金，但历史上材料研究基本依赖试错法，而如今计算工具的应用正在改变这一局面。
密度泛函理论利用量子力学模拟材料的特性与行为，使研究人员无需在实验室中实际制备材料，便可预测不同原子排列的性能表现。耶尔迪兹说："我们首先评估材料的哪些微观特性使其在氮还原中发挥作用，而不是随机搜索所有可能的合金组合。"
过渡金属氮化物之所以高效，在于催化剂本身所含的氮参与了反应，形成一系列化学步骤，前一步骤提供部分能量驱动下一步骤，从而降低所需输入能量。这有助于突破氮还原反应中最主要的瓶颈——打破氮分子强化学键所需的高能量。
借助机器学习，研究团队进一步判断哪些金属合金能够克服反应路径中的瓶颈，包括氮解离和氢转移步骤，从而为调控材料、设计下一代更优氮化物催化剂提供策略依据。
从理论走向实验
未参与本研究的威斯康星大学工程学教授戴恩·摩根评价称，这是一项"令人振奋的工作"，有助于奠定设计新型氨合成催化剂的理论基础。"这项工作有助于厘清材料基本电子特性与其催化氨合成功能之间的关系，能够帮助研究人员通过更深入的定性理解和加速计算筛选来设计新型催化剂。"
不过，摩根也指出，"将这些计算转化为实用催化剂还需要许多额外步骤，因此产生实质性的现实影响可能仍需时日。"
目前该研究仍属纯理论阶段，下一步计划是建造一个工作反应池——一种利用催化剂在真实操作条件下生产并测试氨性能的实验室装置。阿塔尼提斯表示："要让研究真正造福社会，我们需要将其带入实验室。我们认为在候选材料方面已经突破了此前认为可能的边界，希望我们已经接近目标。但即便尚未到达，我们至少在朝着正确方向前进。"
Q&A
Q1：哈伯-博施法有哪些缺点，为什么要寻找替代方案？
A：哈伯-博施法沿用百年有余，依赖化石燃料提供热量，所需氢气也主要来自化石燃料。这导致氨的生产消耗全球约2%的能源，并贡献约1.5%的温室气体排放。随着全球人口增长对氨需求持续上升，这种高能耗、高排放的生产方式与可持续发展目标相悖，因此迫切需要找到更绿色的替代方案。
Q2：麻省理工学院的新方法如何加速催化剂的筛选？
A：该方法结合密度泛函理论和机器学习，通过量子力学模拟材料特性，预测不同原子排列在催化氨合成中的表现，从而无需逐一制备和测试数百万种合金组合。研究团队首先识别驱动催化活性的关键微观物理特性，再通过机器学习判断哪些过渡金属氮化物合金最有潜力克服氮解离和氢转移等反应瓶颈，大幅提升筛选效率。
Q3：电化学合成氨目前面临哪些主要障碍？
A：电化学合成氨目前存在两大主要障碍：一是生产速率和产率偏低，难以满足工业规模需求；二是经济竞争力不足，无法与已高度优化的哈伯-博施法抗衡。此外，反应路径中的氮解离和氢转移步骤能耗较高，寻找能降低所需能量、同时对氨合成具有高选择性的催化剂，是突破这一瓶颈的关键。
