模仿细菌“接力”跑，中国科学家攻克绿氨合成动力学难题

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氨，不仅是我们熟悉的化肥原料，更是未来理想的零碳能源载体。它燃烧不产生二氧化碳，液化容易，便于运输。

传统的合成氨工艺是哈伯法。它需要高温高压，消耗大量化石能源，碳排放巨大。科学家们一直在寻找更绿色的替代方案。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院的团队取得了一项重要突破。他们模仿细菌的运作机制，提出了一种全新的“双活性位点”催化策略。这项研究发表在顶级期刊《德国应用化学》上。

电催化硝酸盐还原反应，是合成绿氨的一条有潜力的路径。硝酸盐广泛存在于工业废水和土壤中。利用电化学方法将硝酸盐转化为氨，既能治理污染，又能生产能源，可谓一举两得。

但这个过程并不容易。

硝酸盐还原是一个复杂的多步反应。它需要将硝酸根一步步还原，最终变成氨。这就像一场长跑接力赛，需要多个步骤紧密配合。

传统的催化剂往往只有一种活性位点。这就好比让一个运动员跑完接力赛的所有赛程。运动员跑到中间往往体力不支，导致反应停在中间产物，比如亚硝酸盐。亚硝酸盐积累不仅降低产率，还是一种污染物。 这就是所谓的“动力学失配”。

自然界中，反硝化细菌处理硝酸盐的效率极高。它们拥有两种酶：硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶。这两种酶分工明确，协同工作。

深圳先进院的研究团队从中获得灵感。他们构建了Fe–FexNi2-xP/CeO2仿生纳米酶催化剂。

这种催化剂含有两类活性位点：金属团簇和金属磷化物纳米粒子。这两类位点就像两种酶，分别负责不同的反应步骤。

这项研究的核心在于“接力”。

团队精准调控了双活性位点之间的距离。距离太远，中间体来不及传递；距离太近，位点之间可能相互干扰。通过优化，他们实现了完美的“临近效应”。

反应开始时，硝酸盐在第一个位点被还原为亚硝酸盐。这就像第一棒运动员起跑。紧接着，中间体亚硝酸盐迅速溢流到邻近的第二个位点，被还原为氨。这就像无缝交接棒。

这种“接力催化”有效解决了动力学失配问题。反应速率大大提高，实现了在大电流条件下的高效绿氨合成。

为了进一步提升效率，团队还引入了CeO2纳米棒作为载体。CeO2不仅起到了稳定双活性位点的作用，还有一个神奇的功能。

它可以作为一个“质子池”。

电催化反应中，质子（H+）的供应非常关键。如果质子供应过多或过快，它们容易相互结合生成氢气。这就是竞争性的析氢反应（HER）。它会消耗大量电能，降低制氨的效率。

CeO2载体能够调控局部反应微环境。它像海绵一样储存和释放质子，按需提供给反应位点。这有效抑制了析氢副反应，让电能更多地用于合成氨。

基于这种优异的催化剂性能，研究团队不仅做了一个电解池，还组装了一种新型电池：锌—硝酸盐电池。

这种电池的设计非常巧妙。

传统的锌电池放电时，锌负极氧化，正极通常发生氧还原。而这个体系的正极，发生的是硝酸盐还原反应。

这意味着，电池在放电输出电能的同时，还在不断地合成氨。

这实现了“发电”与“合成氨”两种功能的有机结合。你用它点亮灯泡的同时，它正在为你生产化肥或燃料。

实验结果显示，这种锌—硝酸盐电池性能优异。在更换锌片后，电池仍表现出良好的循环充放电性能。这显示出它具有可靠的重复使用潜力。

这种双功能器件为绿氨合成提供了新的思路。未来的化工厂，可能不再需要巨大的合成塔和专门的电解槽，而是由成千上万个这样的电池模块组成。

但进入21世纪，碳中和成为全球共识。传统的哈伯法面临巨大的转型压力。绿氨技术成为了各国科学家的必争之地。

目前，绿氨合成主要有两条技术路线：一条是电解水制氢再合成氨，另一条是氮气还原合成氨。

电解水制氢路线技术相对成熟，但成本高昂，且依赖纯水。氮气还原路线直接利用空气中的氮气，最理想，但氮气分子极其稳定，反应效率极低，能耗巨大。

相比之下，硝酸盐还原路线近年来异军突起。它避开了难搞的氮气，利用废水中的硝酸盐。反应条件温和，反应速率快。

但这并非完美无缺。废水中硝酸盐浓度通常较低，且成分复杂。如何开发高选择性、高活性的催化剂，是制约其产业化的关键。

深圳先进院的这项工作，正是切中了这一痛点。他们通过仿生设计和微环境调控，大幅提升了反应性能。这在时间线上处于该领域的国际前沿水平。

中国在绿氨领域的研究处于世界第一梯队。

我们是全球最大的氨生产国和消费国。我们对氨技术的需求最为迫切。近年来，中国科学家在电催化合成氨领域频频发力。

从单原子催化剂设计，到新型电解反应器开发，中国团队在基础研究和应用探索上都取得了丰硕成果。

特别是在“双活性位点”和“界面催化”这一细分方向上，中国学者积累了深厚的理论基础。我们擅长利用先进的材料表征手段，揭示反应的微观机理。

深圳先进院这项工作，是中国科学家在材料设计能力上的一个缩影。他们不仅提出了概念，还制备出了实实在在的高性能材料，并将其集成到器件中。

这种从材料到器件的全链条创新能力，是中国在新能源赛道上的核心竞争力。

未来，随着材料科学的进步和可再生能源成本的降低，绿氨必将取代部分化石能源。

也许有一天，我们的汽车烧的是来自废水的氨，我们的肥料是在电池里“顺便”生产的。这听起来像科幻，但科学正在一步步将其变为现实。