地球深处的“秘密工厂”，揭秘用地下岩石生产环保氨的新方法

忘掉那些巨大的钢制反应罐吧。一些科学家正在探索一种通过地球深处岩石来“制造”化学品的新方法。

一项新研究发现，氨可以在地下常见的温度和压力条件下通过岩石生成，目前这项研究成果已经发表在Joule上，而MIT Technology Review独家报道了一家名为 Addis Energy 的初创公司，其正在计划将这一创新工艺进行商业化。

氨广泛应用于大多数肥料中，是现代农业和食品体系的重要组成部分。同时，氨也被视为一种潜在的绿色燃料，未来可能用于远洋航运等行业。然而，现有的氨生产工艺耗费大量能源，并排放大量温室气体，是气候变化的主要推手之一（据统计，全球氨生产的温室气体排放量超过总量的 1%）。最新研究表明，地球深处的自然条件可以被用来以更环保的方式生产氨。

“地球本身可以作为生产这种化学物质的反应罐。” 这篇论文的共同通讯作者、麻省理工学院教授 Iwnetim Abate 说。

这一理念有望为化学工业带来颠覆性变革，毕竟目前的化学工业依赖于在极高温度和压力下运行的大型设施来制造氨，耗能巨大且污染环境。

生产氨的两个主要原料是氮源和氢源。非营利研究机构 Rocky Mountain Institute 的负责人 Patrick Molloy 解释说，“目前围绕清洁氨生产方法的研究，大多集中在开发新方法来生产氢，因为氢的生产对氨在气候上的影响起着决定性作用。”

近年来，一些研究人员和公司逐渐发现了地下天然存在的氢气储藏。富含铁的岩石常常会引发化学反应，生成氢气。这些天然氢气储藏可能成为一种低成本、低排放的氢气来源。

尽管地下氢产业仍处于早期阶段，一些研究人员希望通过人为调控地下氢气的生成来加速这一过程。借助合适的岩石类型、适当的热量以及催化剂，就能够以非常低的成本来生产氢气，同时避免大规模的气候污染排放。

然而，氢气的运输一直是个难题。对此，Abate 提出了更大胆的愿景：直接利用地下自然条件来驱动化学反应，将氢气与氮气转化为氨。“随着挖掘深度增加，就能免费获得热能和压力。”他解释道。

为了验证这一工艺的可行性，Abate 和他的团队在实验室中设计了一种小型反应器模拟地下条件：他们将富含铁的矿物粉碎后，加入硝酸盐（作为氮源）、水（作为氢源）以及催化剂来促进反应。实验结果显示，即使在较低的温度和压力条件下，仅需数小时就能生成氨。如果这一工艺能够实现规模化，研究人员估算，一个井口每天可生产多达 40,000 公斤的氨。

尽管在高温、高压条件下反应速度更快，但研究团队发现，即使在 130°C 和略高于两个大气压的条件下，氨的生产依然具备经济可行性。这一温度和压力条件通过现有的钻探技术是可以实现的。

虽然实验室中的结果令人鼓舞，然而要将这一工艺应用于工业场景仍需克服诸多挑战，其中一个关键问题是如何让反应持续进行。在反应过程中，富含铁的岩石表面会逐渐被氧化，进而会阻碍后续的反应。为了解决这一问题，Abate 和他的团队正在研究如何优化岩石层的厚度和组成以延长反应的持续时间并确保生产过程的稳定性。

为将研究成果商业化，Abate 与 Engine Ventures 等投资者共同创立了 Addis Energy 公司，并获得了 425 万美元的资金支持。他的联合创始团队包括曾在石油和天然气行业有多年经验的 Michael Alexander 和 Charlie Mitchell，以及麻省理工学院教授、连续创业家蒋业明。

Addis Energy 的目标是扩大研究规模，同时寻找具备生产地下氨所需地质条件的地点。公司首席执行官 Alexander 表示，该项目的一个重要优势在于，许多所需技术已经广泛用于石油和天然气行业。“包括钻探、开采（石油）等都是行业的成熟操作。这是一种嵌套在石油和天然气框架中的全新化学工艺。”他说。

未来，Abate 和团队将进一步完善和细化这种工艺的成本，同时深入研究其安全性和可持续性。他指出，尽管氨是一种有毒的工业化学品，但其应用非常广泛，已经具备成熟的储存、运输和处理标准，而这为其商业化打下了基础。

根据研究人员的初步估算，适用这种新方法生产氨的成本可能达到 0.55 美元/公斤，虽然比目前使用化石燃料生产氨（约 0.4 美元/公斤）的成本稍高，但相比其他低排放氨生产技术的成本要低。此外，研究团队认为，通过进一步优化工艺，例如直接从空气中提取氮，而非依赖硝酸盐，生产成本甚至可能降至 0.2 美元/公斤。

这种创新的氨生产方法可能对应对气候变化发挥至关重要的作用。“作为我们生活中不可或缺的化学物质，氨不仅是农业和食品生产体系的重要成分，还可能成为未来绿色能源的重要组成部分。” 加州理工学院教授 Karthish Manthiram 表示。

“这项研究从一开始就把可扩展性考虑在内了，这种利用地球本身作为反应器的构想，正是推动可持续化学生产长期发展的创新思维典范。”Manthiram 补充说。

尽管 Addis Energy 将专注于技术的规模化扩大，但 Abate 和其他研究团队还有大量基础研究要完成，特别是在理解反应的原子层面机制方面，包括深入研究岩石与反应液体之间界面的化学过程。

Abate 表示，实验室中的成果令人振奋，但这仅仅是第一步。“接下来的挑战是验证这种方法在实际应用场景中的可行性。”他说道。

https://www.technologyreview.com/2025/01/21/1110131/ammonia-addis-energy/