新型光催化剂无需化石燃料 室温下从空气中的氮产生氨

俗称阿摩尼亚的氨（ammonia，化学分子式为NH₃）既是肥料主要成分，也是重要的能源储存媒介，惟现时全球有大约2%的能源被用于氨的生产，并且衍生出近5亿吨的二氧化碳¹。由香港城市大学（城大）科学家领导的一个研究团队早前研制出一款新型光催化剂，在阳光照射下的室温环境里，成功从空气里的氮生产出氨，比现时造成大量碳排放的传统生产办法更胜一筹。研究团队相信这种可持续发展式的氨生产技术，有望促进未来氮经济（nitrogen economy）的发展。

这项研究由城大能源及环境学院（SEE）的信兴教育及慈善基金教授（能源及环境）梁国熙教授和助理教授尚进博士，以及澳洲的学者联合领导。研究结果已发表在科学期刊《ACS Nano》上，题为〈Atomically Dispersed Iron Metal Site in a Porphyrin-Based Metal-Organic Framework for Photocatalytic Nitrogen Fixation〉。

¹_{https://royalsociety.org/-/media/policy/projects/green-ammonia/green-ammonia-policy-briefing.pdf}

能取代石油和煤炭的发电用新兴燃料︰氨

氨是食物和肥料的重要成分，人工制成的氨多数会制成肥料用于农业，也可做成清洁剂和制冷剂等，工业用途广泛，是重要的化学物。更重要的是，近年氨备受关注，是因为可以从中提取燃料电池使用的氢，氨又比氢更易液化，方便运输。另外，氨本身也可以取代石油和煤炭，用作发电用的燃料，因此有大量生产的需求。

现行生产技术危害环境

不过，生产氨的前提是要将氮“固定”。而虽然大气中有80%为氮，但这些游离的氮无法被直接利用，要先转化为含氮的化合物，这个转化过程称为固氮作用（nitrogen fixation）。固氮作用可分为自然固氮或人工固氮两种，人工固氮方法有工业上常用的哈伯-博施法（Haber–Bosch process），以铁为催化剂，在高温高压下将氮与氢化合以生成氨。目前氨的工业生产主要依赖传统的哈伯-博施法，但这个方法需要消耗大量化石能源，也造成严重的二氧化碳¹排放，与可持续发展的方向背道而驰。

为了找寻更环保的制氨方法，梁教授与尚博士带领的团队携手合作，目标是运用可再生能源和水，在室温环境下将氮固定。当中团队面临最大的挑战，就是研制出一种可以令氮在被固定时，仍可以发生多重反应的催化剂。

新型仿生光催化剂

在大自然中，固氮酶（nitrogenase，酶的一种）中的铁会结合和激活氮，而叶绿素中的卟啉（porphyrin，一种有机化合物）就有效地收集阳光。团队受此启发，研制出一种结合两者特性的多孔晶体光催化剂：铁金属化卟啉基金属有机框架（iron-metalated porphyrin-based metal-organic framework (MOF) ）光催化剂。这种厚度只有15至25纳米的仿生光催化剂，只需在阳光照射和以水作为还原剂，于室温环境中固定氮，发生化学反应后产生氨。

团队制作这款光催化剂运用了金属有机框架，原因是可以提供更多活性位点，让氮在材料表面被吸附和被激活，因此提升了氮还原反应的效能。

团队用此光催化剂进行实验，证实能够生产出氨。梁教授说：“在基于MOF的光催化剂中，这种新型光催化剂展现出最佳的光催化固氮性能。它的氨产量和水解稳定性（hydrolytic stability）在MOF中的表现可谓是数一数二。”光催化剂拥有良好的水解稳定性，意味着它可以重覆使用。

透过这个研究，团队了解到该仿生光催化剂的光催化氮还原反应。尚博士表示，相关的新知识将会引领新一代基于MOF的光催化剂的设计，并促进研发各种卟啉基MOF的光催化剂，及其于不同能源和环境的应用潜力。团队希望此具前瞻性的研究可以启发专注于催化领域的科学家和工程师，探索在室温环境利用MOF基仿生光催化剂启动其他化学反应的可能，而并非只局限于人工固氮。

梁教授总结说：“若要达致碳中和，最理想的做法是在生产能源和化学产品的过程中，无需使用任何化石燃料。我们于这次研究中，便成功开发了一种只需阳光和水，便可从大气中的氮合成氨的技术，让我们以可持续的方式，获得了无碳能源。”他们相信这种环保地生产氨的研究成果，有助减缓能源危机及纾缓环境污染问题。

梁教授、尚博士和澳大利亚核科学与技术组织同步加速器研究中心（Australian Synchrotron, ANSTO）的顾勤奋博士，均是这篇论文的共同通讯作者。论文的第一作者是来自SEE的博士生尚姗姗（现为香港大学博士后）、熊巍博士（现为大连理工大学讲师）。SEE的助理教授徐先亿博士，以及刘汝庚博士（现为哈尔滨工程大学讲师）亦有参与研究。团队的其他成员则来自香港大学和ANSTO。

这次研究获得城大、深圳市科技创新委员会、国家自然科学基金委员会、香港研究资助局和中央高校基本科研业务费专项资金的资助进行。

DOI number: 10.1021/acsnano.0c10947

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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