模仿細菌“接力”跑，中國科學家攻克綠氨合成動力學難題

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氨，不僅是我們熟悉的化肥原料，更是未來理想的零碳能源載體。它燃燒不產(chǎn)生二氧化碳，液化容易，便于運輸。

傳統(tǒng)的合成氨工藝是哈伯法。它需要高溫高壓，消耗大量化石能源，碳排放巨大。科學家們一直在尋找更綠色的替代方案。

近日，中國科學院深圳先進技術研究院的團隊取得了一項重要突破。他們模仿細菌的運作機制，提出了一種全新的“雙活性位點”催化策略。這項研究發(fā)表在頂級期刊《德國應用化學》上。

電催化硝酸鹽還原反應，是合成綠氨的一條有潛力的路徑。硝酸鹽廣泛存在于工業(yè)廢水和土壤中。利用電化學方法將硝酸鹽轉化為氨，既能治理污染，又能生產(chǎn)能源，可謂一舉兩得。

但這個過程并不容易。

硝酸鹽還原是一個復雜的多步反應。它需要將硝酸根一步步還原，最終變成氨。這就像一場長跑接力賽，需要多個步驟緊密配合。

傳統(tǒng)的催化劑往往只有一種活性位點。這就好比讓一個運動員跑完接力賽的所有賽程。運動員跑到中間往往體力不支，導致反應停在中間產(chǎn)物，比如亞硝酸鹽。亞硝酸鹽積累不僅降低產(chǎn)率，還是一種污染物。 這就是所謂的“動力學失配”。

自然界中，反硝化細菌處理硝酸鹽的效率極高。它們擁有兩種酶：硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶。這兩種酶分工明確，協(xié)同工作。

深圳先進院的研究團隊從中獲得靈感。他們構建了Fe–FexNi2-xP/CeO2仿生納米酶催化劑。

這種催化劑含有兩類活性位點：金屬團簇和金屬磷化物納米粒子。這兩類位點就像兩種酶，分別負責不同的反應步驟。

這項研究的核心在于“接力”。

團隊精準調控了雙活性位點之間的距離。距離太遠，中間體來不及傳遞；距離太近，位點之間可能相互干擾。通過優(yōu)化，他們實現(xiàn)了完美的“臨近效應”。

反應開始時，硝酸鹽在第一個位點被還原為亞硝酸鹽。這就像第一棒運動員起跑。緊接著，中間體亞硝酸鹽迅速溢流到鄰近的第二個位點，被還原為氨。這就像無縫交接棒。

這種“接力催化”有效解決了動力學失配問題。反應速率大大提高，實現(xiàn)了在大電流條件下的高效綠氨合成。

為了進一步提升效率，團隊還引入了CeO2納米棒作為載體。CeO2不僅起到了穩(wěn)定雙活性位點的作用，還有一個神奇的功能。

它可以作為一個“質子池”。

電催化反應中，質子（H+）的供應非常關鍵。如果質子供應過多或過快，它們容易相互結合生成氫氣。這就是競爭性的析氫反應（HER）。它會消耗大量電能，降低制氨的效率。

CeO2載體能夠調控局部反應微環(huán)境。它像海綿一樣儲存和釋放質子，按需提供給反應位點。這有效抑制了析氫副反應，讓電能更多地用于合成氨。

基于這種優(yōu)異的催化劑性能，研究團隊不僅做了一個電解池，還組裝了一種新型電池：鋅—硝酸鹽電池。

這種電池的設計非常巧妙。

傳統(tǒng)的鋅電池放電時，鋅負極氧化，正極通常發(fā)生氧還原。而這個體系的正極，發(fā)生的是硝酸鹽還原反應。

這意味著，電池在放電輸出電能的同時，還在不斷地合成氨。

這實現(xiàn)了“發(fā)電”與“合成氨”兩種功能的有機結合。你用它點亮燈泡的同時，它正在為你生產(chǎn)化肥或燃料。

實驗結果顯示，這種鋅—硝酸鹽電池性能優(yōu)異。在更換鋅片后，電池仍表現(xiàn)出良好的循環(huán)充放電性能。這顯示出它具有可靠的重復使用潛力。

這種雙功能器件為綠氨合成提供了新的思路。未來的化工廠，可能不再需要巨大的合成塔和專門的電解槽，而是由成千上萬個這樣的電池模塊組成。

但進入21世紀，碳中和成為全球共識。傳統(tǒng)的哈伯法面臨巨大的轉型壓力。綠氨技術成為了各國科學家的必爭之地。

目前，綠氨合成主要有兩條技術路線：一條是電解水制氫再合成氨，另一條是氮氣還原合成氨。

電解水制氫路線技術相對成熟，但成本高昂，且依賴純水。氮氣還原路線直接利用空氣中的氮氣，最理想，但氮氣分子極其穩(wěn)定，反應效率極低，能耗巨大。

相比之下，硝酸鹽還原路線近年來異軍突起。它避開了難搞的氮氣，利用廢水中的硝酸鹽。反應條件溫和，反應速率快。

但這并非完美無缺。廢水中硝酸鹽濃度通常較低，且成分復雜。如何開發(fā)高選擇性、高活性的催化劑，是制約其產(chǎn)業(yè)化的關鍵。

深圳先進院的這項工作，正是切中了這一痛點。他們通過仿生設計和微環(huán)境調控，大幅提升了反應性能。這在時間線上處于該領域的國際前沿水平。

中國在綠氨領域的研究處于世界第一梯隊。

我們是全球最大的氨生產(chǎn)國和消費國。我們對氨技術的需求最為迫切。近年來，中國科學家在電催化合成氨領域頻頻發(fā)力。

從單原子催化劑設計，到新型電解反應器開發(fā)，中國團隊在基礎研究和應用探索上都取得了豐碩成果。

特別是在“雙活性位點”和“界面催化”這一細分方向上，中國學者積累了深厚的理論基礎。我們擅長利用先進的材料表征手段，揭示反應的微觀機理。

深圳先進院這項工作，是中國科學家在材料設計能力上的一個縮影。他們不僅提出了概念，還制備出了實實在在的高性能材料，并將其集成到器件中。

這種從材料到器件的全鏈條創(chuàng)新能力，是中國在新能源賽道上的核心競爭力。

未來，隨著材料科學的進步和可再生能源成本的降低，綠氨必將取代部分化石能源。

也許有一天，我們的汽車燒的是來自廢水的氨，我們的肥料是在電池里“順便”生產(chǎn)的。這聽起來像科幻，但科學正在一步步將其變?yōu)楝F(xiàn)實。