鉬基催化劑新型制氨工藝顛覆傳統哈布二氏法

東京大學研究人員近日基於一種特殊鉬基催化劑，發現了可以輕便、高效、清潔、低能耗、低成本的新型制氨工藝——釤催化氨氣生產（SWAP），能夠改善農民獲取氨肥的途徑。相關研究成果發表在《自然》上。

傳統的將大氣中的氮氣合成氨的工藝是哈布二氏法Haber–Bosch（），被譽為20世紀最偉大的發明之一，促進了顛覆式技術的發展。但這種方法存在著高能耗的弊端。

據瞭解，哈布二氏法製造工藝每個迴圈只轉換10%的原料，所以需要運行多次才能全部耗盡。其中一種原料是來自化石燃料生產的氫氣。化學反應是在大約400~600攝氏度高溫和100~200個大氣壓的壓力下進行的，生產過程消耗了大量的能源。

而SWAP工藝可以改善這種情況。東京大學系統創新系教授Yoshiaki Nishibayashi解釋稱，“哈布二氏法的生產過程消耗了所有天然氣產量的3%~5%，大約占世界能源供應總量的1%~2%。相比之下，豆類植物具有共生的固氮細菌，它們能夠在正常的大氣溫度和壓力下產生氨。我們分離了這一機制，並對固氮酶進行了反向工程設計。”

多年來，Nishibayashi和他的團隊使用實驗室製造的催化劑，試圖複製固氮酶的功能表現。其他研究人員也進行過嘗試，但他們的催化劑在失效前只能產生幾十到幾百個氨分子。而Nishibayashi團隊所採用的特殊鉬基催化劑在4小時內可產生4350個氨分子，然後才會失效。

Nishibayashi介紹，SWAP工藝製造氨的速度是哈布二氏法的300~500倍，而且效率達到了90%。鑒於其生產過程以及原材料收集過程極大地節省了能源，因此這一工藝的好處顯而易見。

此外，任何擁有合適原材料的人都能夠借助化學實驗設施進行SWAP生產，而哈布二氏法則需要規模巨大的工業設備。這一新工藝能夠為缺乏昂貴設備投資能力的企業帶來機會。從成本及能源角度來說，原材料本身就是巨大節省。

SWAP生產就像哈布二氏法一樣從空氣中提取氮氣，但是特殊的鉬基催化劑將氮氣與水中的氫和二碘化釤的電子結合到一起。二碘化釤目前能夠通過採礦獲得，而且能夠在SWAP過程中耗盡。二碘化釤可以通過電力補充失去的電子從而實現回收利用，而且研究人員計畫未來將其替換成廉價的可再生資源。

Nishibayashi稱：“我們發現一些像水一樣常見的化合物可以作為原材料。鉬基催化劑通常不允許這樣做，但我們的催化劑是特殊的。這是第一個反應速率接近自然界中固氮酶生成速率的人工固氮反應。和自然發生的過程一樣，它也是被動的，因此對環境更有利。”

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