“空”中取氨，打開清潔能源新世界（創新匯）

空氣和水，再平常不過。但在科學家的巧思下，它們有望成為打開清潔能源世界的一把新鑰匙。近日，日本東京大學工學院研究團隊研發出一種在常溫常壓條件下，利用氮氣（空氣中含量最多的氣體）和水合成為氨的新方法。未來，這一成果如得到廣泛運用，不僅有助于打破制氨傳統工藝對高溫高壓及化石能源的依賴，也為構建一個“氮循環社會”提供了可能。

作為一種基礎化工原料，氨的身影遍布現代工業與農業，從化肥生產到藥品制造、從冷卻劑到金屬加工，均離不開它的參與。氨不僅與氫氣一樣在燃燒過程中不產生二氧化碳，還在存儲和運輸上具有更高的穩定性和經濟性，因此被認為有望成為推動能源轉型的重要載體。不過，目前合成氨主要仍使用20世紀初德國化學家哈伯發明的“循環法”，即通過加入催化劑使氫氣和氮氣在高溫高壓下合成氨。這一傳統工藝存在高能耗、高碳排放等問題，并且高度依賴從煤和天然氣等化石資源中提取氫氣。

為應對傳統合成氨工藝面臨的瓶頸，東京大學研究團隊此前開發出一套熱能驅動體系，跳過了氫氣這個“中間站”，通過選用在有機化學中常見的碘化釤作為還原劑，只需將氮氣、水與碘化釤、鉬催化劑混合，即可在溫和條件下完成氨的合成。相比傳統高能耗方法，新工藝效率提高近100倍，且原料的利用率更高。不過，目前碘化釤在反應后無法循環使用，未來研究仍需攻克這一難題。

在此基礎上，該團隊此次構建出一套由光驅動的新型合成氨體系。他們采用一種可高效捕獲光能的銥基化合物，利用太陽光中的可見光部分為反應注入動力。在光照驅動下，配合鉬催化劑和提供必需電子的叔膦，最終實現了以氮氣和水為原料、在光照條件下直接合成氨分子的突破。該研究團隊負責人西林仁昭介紹，若催化劑進一步優化，合成效率有望提升至原來的200倍。這一過程不僅條件溫和，且不產生二氧化碳，進一步拓展了綠色合成氨的技術路徑。

“我相信我們可以從自然中尋找答案。”西林仁昭在接受采訪時表示，他的靈感來源于自然界的“固氮奇跡”：某些植物如豆科作物，能與根瘤菌共生，通過體內的固氮酶，將空氣中的氮轉化為可供植物吸收的氨。他們希望開發出一種人工固氮酶，用清潔能源驅動氨的合成。目前，該團隊的新方法雖已在實驗中獲得初步成功，但如何實現規模化、持續穩定的合成仍是重要挑戰。“我們需要進一步提高反應效率、優化材料選擇，并構建完整的系統集成方案。”西林仁昭表示，團隊正與相關企業合作以推動實際應用。

中國科學院大連化學物理研究所研究員郭建平介紹，直接用太陽光驅動氮氣和水合成氨，是科學家長久以來的夢想。在全球范圍內，圍繞氨合成的技術也在加速演進，不論是熱催化、仿生催化、光催化還是電催化，都在試圖突破“綠色固氮”的關鍵瓶頸。日本團隊的這項研究成果通過組合光能轉化技術，實現了溫和條件下利用光能合成氨，具有一定的突破意義。但是，目前這個“陽光轉化器”的效率還比較低，核心材料成本也偏高，系統的耐用性和循環使用能力還需要科學家們繼續攻關。

在郭建平看來，在21世紀的清潔能源布局中，氫能被廣泛視為理想的二次能源載體，但目前還存在氫氣儲運難、成本高等難題。相比之下，氨在常溫下只需輕度冷卻和加壓即可液化，更適合船運與長時間儲存。通過氨的熱解，還可以在終端重新釋放出氫氣，實現“氫的搬運”。這使得氨不僅是能源載體，還是氫能的重要中轉站，為未來氫能的廣泛運用提供了更便捷的路徑。當空氣和水成為新的“原材料”，當陽光照射就能驅動反應，也許下一個能源時代正悄然降臨。

《 人民日報 》（ 2025年08月25日 16 版）