想象一下，如果人類能像大自然中的閃電一樣，將空氣中的氮氣直接轉化為氨——這種重要的清潔能源載體，同時還是支撐全球糧食生產的關鍵化學品，那該有多酷？

最近，一項發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie）上的研究，讓這一愿景離現實更近了一步。

澳大利亞悉尼大學和中國浙江大學的科學家們受閃電啟發，利用等離子體技術模擬閃電的“空氣活化”能力，共同開發出了一種高效、環保的“綠氨”合成方法。

在自然界中，閃電的巨大能量可以瞬間將空氣中的氮氣（N?）和氧氣（O?）結合，生成氮氧化物（NO?）。這些NO?隨雨水進入土壤，被微生物轉化為植物可吸收的氨（NH?）。

圖說：自然界中的閃電

來源：Technology Networks

氨除了是化肥的主要原料之外，還是一種強有力的零碳燃料。由于其在儲存和運輸方面的明顯優勢，氨正在從最傳統的農業化肥領域向船舶未來燃料領域拓展。

該行業約占全球溫室氣體排放量的3%。迫于減排壓力，國際能源機構（IEA）發表的《2020能源展望》報告顯示，預計到2060年將有60％ 以上的新船使用氨或氫燃料。

而且，氨可以通過“裂解”來分離氫分子，從而獲取氫氣，這意味著它可以作為有效的氫能載體和來源，甚至成為儲存和運輸氫氣的有效方式。

然而，工業上生產氨的“哈伯-博世法”卻需要高溫（400–500°C）、高壓（200–300大氣壓），并消耗全球約1-2%的能源，同時還會排放大量CO?。

目前，全球90%的氨生產依賴于哈伯-博施法。科學家們一直在尋找更溫和、更清潔的制氨方式，比如電解水制氫，再與從空氣中分離的氮氣進行結合制出“綠氨”。

“我們需要一種低成本、分散且可擴展的綠氨。”首席研究員、 悉尼大學化學與生物分子工程學院和凈零研究所的PJ Cullen教授說道。他的團隊已經致力于綠色氨的生產六年了。

而閃電的自然過程則為研究人員提供了一種新的靈感——如果能用人工等離子體（類似閃電的帶電氣體）活化空氣，再用電催化技術將其轉化為氨，豈不是既高效又環保？

“在這項研究中，我們成功開發出一種方法，可以利用電力將空氣轉化為氣態氨。這朝著我們的目標邁出了一大步。” Cullen教授表示。

圖說：用于啟動綠氨生產過程的等離子柱

來源：PJ Cullen

研究團隊設計了一套“等離子體-電催化”系統，將空氣直接轉化為氨。整個過程分為兩個關鍵階段：等離子體活化空氣與電催化還原。

首先，研究人員使用非熱等離子體（NTP）轟擊空氣，模擬閃電的作用。在高壓電場作用下，氣體分子（N?和O?）被電離，形成高能電子、離子和自由基。

氮氣（N?）的化學鍵被直接“劈開”，與氧氣結合生成高活性氮氧化物（NO?，包括NO和NO?）。

相比傳統方法，這一步無需分離氮氣和氧氣，直接利用空氣即可，大大降低成本。

通過調整電壓、氣體流速和放電頻率，團隊找到了NO?生成效率最高的條件，確保后續步驟的原料充足。

然后，該團隊將這些激發的分子送入電催化反應器——一個看似不起眼的銀盒子，通過電化學方式將激發的分子轉化為氨。

在這一步中，研究團隊還開發出一種基于銅的新型催化劑——富含氧空位的Fe?O?納米顆粒負載銅（Fe?O? NPs/Cu）。

純銅片（P-Cu）被放入氧等離子體反應器，高能氧離子轟擊銅表面，形成氧化銅（Cu?O）并引入大量氧空位（OVs）。

將等離子體處理后的Cu?O浸入鐵鹽（如Fe(NO?)?）溶液，氧空位和Cu?/Cu2?的電子效應使Fe3?緊密吸附在表面，形成Fe-O-Cu鍵。

在氮氣保護下加熱，Fe3?轉化為超細Fe?O?納米顆粒（<10 nm），均勻分布在銅表面。此時，氧空位被完美保留，成為后續催化反應的活性中心。

這些氧空位就像“化學陷阱”，能牢牢抓住NO?分子，并通過電催化將其一步步還原為NH?。

研究人員將催化劑作為陰極（還原電極），鉑片作為陽極，中間用質子交換膜隔開，搭建起了電催化反應裝置。

當含NO?的氣體通入陰極室，就會在電場驅動下發生還原反應——NO?分子吸附在催化劑的氧空位上，接受電子和質子（H?），逐步氫化為NH?。

實驗結果顯示，在300 mA電流下，法拉第效率接近100%，這意味著幾乎所有電子都用于生成氨，幾乎沒有浪費；產氨速率高達628 nmol·s?1·cm?2，比普通銅催化劑高出一個數量級。

此外，傳統電催化制氨通常在水溶液中進行，產物是NH??（銨離子），需要額外步驟提取氨。

而這項技術直接生成氣態NH?，可以用多孔材料（如金屬有機框架，MOFs）進行高效分離和捕獲，以供進一步利用。

Cullen教授認為，該實驗成果標志著綠氨生產進入了一個新的階段。

新方法可在常溫常壓下運行，避免了大量碳排放，且可將NO?完全轉化為氨，無污染副產物，其電催化過程也可以與太陽能、風能等可再生能源結合。

“不過，為了創造更完整的可持續氨生產解決方案，我們仍然需要提高電催化反應器組件的能源效率。” Cullen教授表示。