新型光催化劑無需化石燃料 室溫下從空氣中的氮產生氨

俗稱阿摩尼亞的氨（ammonia，化學分子式為NH₃）既是肥料主要成分，也是重要的能源儲存媒介，惟現時全球有大約2%的能源被用於氨的生產，並且衍生出近5億噸的二氧化碳¹。由香港城市大學（城大）科學家領導的一個研究團隊早前研制出一款新型光催化劑，在陽光照射下的室溫環境裡，成功從空氣裡的氮生產出氨，比現時造成大量碳排放的傳統生產辦法更勝一籌。研究團隊相信這種可持續發展式的氨生產技術，有望促進未來氮經濟（nitrogen economy）的發展。

這項研究由城大能源及環境學院（SEE）的信興教育及慈善基金教授（能源及環境）梁國熙教授和助理教授尚進博士，以及澳洲的學者聯合領導。研究結果已發表在科學期刊《ACS Nano》上，題為〈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發電用新興燃料︰氨

氨是食物和肥料的重要成分，人工制成的氨多數會制成肥料用於農業，也可做成清潔劑和制冷劑等，工業用途廣泛，是重要的化學物。更重要的是，近年氨備受關注，是因為可以從中提取燃料電池使用的氫，氨又比氫更易液化，方便運輸。另外，氨本身也可以取代石油和煤炭，用作發電用的燃料，因此有大量生產的需求。

現行生產技術危害環境

不過，生產氨的前提是要將氮“固定”。而雖然大氣中有80%為氮，但這些游離的氮無法被直接利用，要先轉化為含氮的化合物，這個轉化過程稱為固氮作用（nitrogen fixation）。固氮作用可分為自然固氮或人工固氮兩種，人工固氮方法有工業上常用的哈伯-博施法（Haber–Bosch process），以鐵為催化劑，在高溫高壓下將氮與氫化合以生成氨。目前氨的工業生產主要依賴傳統的哈伯-博施法，但這個方法需要消耗大量化石能源，也造成嚴重的二氧化碳¹排放，與可持續發展的方向背道而馳。

為了找尋更環保的制氨方法，梁教授與尚博士帶領的團隊攜手合作，目標是運用可再生能源和水，在室溫環境下將氮固定。當中團隊面臨最大的挑戰，就是研制出一種可以令氮在被固定時，仍可以發生多重反應的催化劑。

新型仿生光催化劑

在大自然中，固氮酶（nitrogenase，酶的一種）中的鐵會結合和激活氮，而葉綠素中的卟啉（porphyrin，一種有機化合物）就有效地收集陽光。團隊受此啟發，研制出一種結合兩者特性的多孔晶體光催化劑：鐵金屬化卟啉基金屬有機框架（iron-metalated porphyrin-based metal-organic framework (MOF) ）光催化劑。這種厚度只有15至25納米的仿生光催化劑，只需在陽光照射和以水作為還原劑，於室溫環境中固定氮，發生化學反應後產生氨。

團隊制作這款光催化劑運用了金屬有機框架，原因是可以提供更多活性位點，讓氮在材料表面被吸附和被激活，因此提升了氮還原反應的效能。

團隊用此光催化劑進行實驗，證實能夠生產出氨。梁教授說：「在基於MOF的光催化劑中，這種新型光催化劑展現出最佳的光催化固氮性能。它的氨產量和水解穩定性（hydrolytic stability）在MOF中的表現可謂是數一數二。」光催化劑擁有良好的水解穩定性，意味著它可以重覆使用。

透過這個研究，團隊了解到該仿生光催化劑的光催化氮還原反應。尚博士表示，相關的新知識將會引領新一代基於MOF的光催化劑的設計，並促進研發各種卟啉基MOF的光催化劑，及其於不同能源和環境的應用潛力。團隊希望此具前瞻性的研究可以啟發專注於催化領域的科學家和工程師，探索在室溫環境利用MOF基仿生光催化劑啟動其他化學反應的可能，而並非只局限於人工固氮。

梁教授總結說：「若要達致碳中和，最理想的做法是在生產能源和化學產品的過程中，無需使用任何化石燃料。我們於這次研究中，便成功開發了一種只需陽光和水，便可從大氣中的氮合成氨的技術，讓我們以可持續的方式，獲得了無碳能源。」他們相信這種環保地生產氨的研究成果，有助減緩能源危機及紓緩環境污染問題。

梁教授、尚博士和澳大利亞核科學與技術組織同步加速器研究中心（Australian Synchrotron, ANSTO）的顧勤奮博士，均是這篇論文的共同通訊作者。論文的第一作者是來自SEE的博士生尚姍姍（現為香港大學博士後）、熊巍博士（現為大連理工大學講師）。SEE的助理教授徐先億博士，以及劉汝庚博士（現為哈爾濱工程大學講師）亦有參與研究。團隊的其他成員則來自香港大學和ANSTO。

這次研究獲得城大、深圳市科技創新委員會、國家自然科學基金委員會、香港研究資助局和中央高校基本科研業務費專項資金的資助進行。

DOI number: 10.1021/acsnano.0c10947

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