根据自然过程（包括闪电）如何产生氨的线索，一个团队发明了一种反应器，该反应器从大气中的氮和水中生成这种重要化学物质，且不排放碳。
你可能真的要感谢哈柏-博施法。
这种重要的工业化学反应将氢和氮结合在一起产生氨，对生产合成肥料至关重要，这些肥料养活了全球相当大一部分人口并推动了上世纪的人口增长。
然而，这种方法可能对未来的代际产生风险。该过程约占全球能源消耗的2%，所用氢气主要来源于化石燃料。
受到自然自身产生氨的方式（例如通过闪电）的启发，布法罗大学的研究团队设计了一种反应器，该反应器利用空气中的氮和水合成氨，同时不留下碳足迹。
在《美国化学学会志》上发表的一篇论文中描述了这种等离子体电化学反应器，该反应器能够在常温下从空气中持续产生约1克的氨，持续超过1000小时。
研究人员称，这代表着在工业规模上可与传统方法竞争的可持续氨生产的重要飞跃，同时确保反应的一致性。
研究的主要作者、布法罗大学文理学院的化学助理教授Chris Li博士表示：“氨常被视为滋养世界的化学物质，但我们必须承认哈柏-博施法在过去一个世纪中没有改变。它仍然需要极高的温度和压力，导致显著的碳排放，这对未来并不可行。我们的方式只需要空气和水，且可以由可再生电力驱动。”
模仿自然的氮循环
自然有自己有效的创建肥料的方式。
在氮固定过程中，闪电的电能分裂大气中的氮分子，形成各种氮氧化物。当这些氧化物以雨水形式降落时，土壤中的细菌将其转化为氨，为植物提供重要营养素。
在布法罗大学领导的团队设计的反应器中，等离子体充当闪电的角色，铜-钯催化剂则充当细菌。
Li解释说：“我们的等离子体反应器将湿空气转化为氮氧化物的碎片，然后进入电化学反应器，其中铜-钯催化剂将它们转化为氨。”
值得注意的是，催化剂可以吸收和稳定许多由等离子体反应器产生的二氧化氮中间体。通过图论，研究人员确定大多数氮氧化物化合物需要通过一氧化氮或胺才能转化为氨。这个见解使得设计出有效与这些化合物结合的催化剂成为可能。
主要作者、Li实验室的博士后研究员Xiaoli Ge表示：“当等离子体或闪电击中氮时，它会产生复杂的氮氧化物化合物混合物。将多达八种不同化学物质同时转化为氨是一个重大挑战。图论帮助我们绘制所有可能的反应路径，并找出一个关键的限制因素。然后我们优化电化学反应器以支持该限制化合物，从而促进将所有中间体化合物选择性转化为氨。”
规模化
Li的团队目前正在努力扩大反应器的规模，并考虑与行业合作以帮助商业化。布法罗大学技术转移办公室已为该反应器及其操作方法申请了专利。
全球超过一半的氨由仅四个国家生产——中国、美国、俄罗斯和印度——使得许多发展中国家无法自给自足。尽管哈柏-博施法需要在集中化的工厂进行大规模操作，但Li指出他们的方法可以在更小的规模上实施。
“想象一下我们的反应器放在一个中型集装箱内，顶部有太阳能电池板。这可以在全球任何地方部署，以满足当地需求按需生成氨，”他分享道。“这提供了令人兴奋的优势，可以为缺乏哈柏-博施法的欠发达地区提供氨。”
