研究人员正在探索利用地球的自然热量和地质力量来生产肥料用氨，而不是依赖于需要高温和高压的能量密集型反应器。科学家们在2023年1月21日出版的Cell Press期刊《Joule》中发表了一项开创性研究，成功地通过将富含氮的水与基于铁的岩石结合来生产氨——没有消耗任何能源或排放二氧化碳。这种创新方法可能为常规方法提供一种更环保的替代方案，可能为2.42百万年产生足够的氨。
研究人员正在探索利用地球的自然热量和地质力量来生产肥料用氨，而不是依赖于需要高温和高压的能量密集型反应器。科学家们在2023年1月21日出版的Cell Press期刊《Joule》中发表了一项开创性研究，成功地通过将富含氮的水与基于铁的岩石结合来生产氨——没有消耗任何能源或排放二氧化碳。这种创新方法可能为常规方法提供一种更环保的替代方案，可能为2.42百万年产生足够的氨。
这一概念源于1980年代在西非马里看到的独特地质现象，当地人发现了一口释放氢气的井。科学家们追溯这一现象是由于水和岩石之间发生的化学反应，发生在地球表面以下。
“这是一个‘豁然开朗’的时刻，”来自麻省理工学院（MIT）的高级研究员Iwnetim Abate解释道。“我们可能可以利用地球作为工厂，利用其热量和压力以更清洁的方式制造氨等有价值的化学品。”
氨在肥料中起着至关重要的作用，并有潜力在未来成为一种清洁的燃料来源。然而，目前工业中氨的生产方法耗能较大，每年消耗全球约2%的能源，并且每生产1吨（2204磅）氨便产生约2.4吨（5291磅）二氧化碳，使其成为化学行业最大的二氧化碳排放者。
为了检验他们的“地球工厂”概念，Abate和他的团队开发了一种岩石-水反应系统，模拟地球深处的条件。他们将人工富铁矿物暴露于富氮水中，启动了一种化学反应，氧化岩石并生成氨——团队称之为“地质氨”。这个过程不需要任何能源输入，没有产生二氧化碳，并且在正常条件下有效运行。
随后，团队用橄榄石（自然存在的富铁岩石）替代合成矿物，以更好地反映现实应用。他们通过引入铜催化剂并提高温度至300°C（572°F）进一步优化该过程。在21小时内，每使用1吨（2204.6磅）橄榄石便获得约1.8公斤（4磅）氨，展示了这种方法的可行性和可持续性。
“这些岩石在全球范围内广泛存在，因此这种技术可以在许多地方适应应用，”Abate指出。然而，他承认“还有一个额外的复杂层面需要我们去应对。” 此实施将涉及深入地下富铁岩石的钻探，注入富氮水，并管理岩石的破裂、膨胀以及与气体和液体相互作用的复杂性。
这一理念的经济前景令人振奋。生产地质氨的成本约为每公斤0.55美元（2.2磅），这与传统方法的0.40美元到0.80美元相当。该研究还可能为解决污水污染提供新的策略。
“氮源通常被视为污水中的污染物，去除它们需要花费金钱和能源，”来自MIT的研究第一作者Yifan Gao表示。“然而，我们可能能够将污水转化为氨，创造双赢的局面。”将污水处理与氨生产结合起来，可能每公斤氨额外产生3.82美元的利润。
“氨对于生命至关重要，”来自MIT的高级作者Ju Li强调。除了微生物过程，地球上唯一能产生氨的自然方法是闪电对氮气的击打。“当我们考虑生命的起源时，这使得地质氨的生产特别引人注目。”
该研究获得了国家科学基金会的资助支持。
