核能边角料变“绿氨催化剂”，效率提升20倍，能耗大降

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

首图来源：Ruslanas Baranauskas

撰文 | Bell

编辑 | 小澜

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作为一种重要的大宗商品，合成氨在化工、能源、化肥等多个工业领域的应用备受关注。

然而，传统的氨工业生产过程能耗巨大，碳排放量高，是全球气候变化的有力贡献者之一。

近日，北京大学研究团队在《自然·通讯》上发表的一项研究成果显示，他们制备出一种名为“铀-石墨炔”的复合催化剂，大幅降低了合成氨所需的能耗。

研究实现了在家用烤箱就能达到的温度下，将绿氢与氮气高效转化为绿氨，为这个已经存在了百余年的工业过程打开了一扇新的大门。

实验数据显示，在150℃的反应条件下，合成氨的速率达到每克催化剂每小时587.5微摩尔；反应持续60小时后，合成氨浓度达3.05ppm，约为基线对照组的20倍。

来源：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69691-8

要理解这项工作的意义，我们得先回到二十世纪初。

1909年，德国化学家弗里茨·哈伯发明了一种将氮气和氢气合成氨的方法，随后卡尔·博世将其工业化，这就是至今仍在使用的哈伯-博世工艺。

但这一传统方法存在严重的能耗问题，反应需要在300℃-500℃的高温、150到200大气压的极端条件下进行。

绿氨与合成氨的本质区别在于反应物中的“绿色”氢源。

使用绿色氢源合成的绿氨，不仅是消纳绿氢、存储可再生能源的理想载体，还是生产“绿色氮肥”的根本原料。

但在现阶段，合成绿氢与氮气制备绿色合成氨的主流方式，仍需沿用哈伯-博施法。

使用这种传统高温高压工艺除了能耗巨大，每吨绿氨的成本还比灰氨高了两倍以上，严重影响我国绿氨产业的发展。

因此，科学家们一直在寻求开发更高性能的催化剂，替代传统的铁基催化剂，实现温和条件下的氨合成，在提高反应效率的同时，降低单位碳排放与成本。

北京大学和中国科学技术大学合作的这项研究，核心创意在于选择了两个看似不太相关的搭档——铀和石墨炔作为催化剂。

图说：U/GDY复合材料的微观结构

来源：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69691-8

铀是自然界中最重的元素之一，作为一种锕系元素，它的原子核周围拥有关键的5f电子轨道，这些轨道具有特殊的电子排布方式，理论上非常适合活化氮气分子。

氮气之所以难以转化，是因为它分子中的两个氮原子之间由三根化学键紧紧连接，是自然界最稳定的分子之一。

要打断这些键，需要极其强大的活化能力，而铀的5f电子恰恰具备这种潜力。然而，光有铀还不够，它需要一个合适的“舞台”，或者说共轭体系，来施展本领。

这个舞台就是石墨炔。石墨炔是一种神奇的二维碳材料，具有独特的电子结构、大比表面积和良好的金属负载能力。

研究团队发现，石墨炔的层数可以精确调控其电子能带结构，而五层石墨炔恰好拥有最合适的能带宽度，约两个电子伏特，能够最有效地与铀的5f电子产生协同作用。

研究人员首先在超临界二氧化碳中合成了从单层到十三层不等的石墨炔，然后巧妙地利用三碘化铀（UI3）对八层石墨炔进行蚀刻，最终获得了稳定的五层铀-石墨炔复合材料。

通过一系列高精度的电子显微镜和能谱分析，他们清晰地看到，铀原子并没有随意堆积在石墨炔表面，而是形成了有序的纳米团簇，整齐地排列在石墨炔的晶格上。

这些团簇中的铀原子间距正好约为0.35纳米，这个距离恰好能够容纳一个氮气分子，使其以“桥式吸附”的模式同时与两个铀原子结合——这就像是为氮气量身定制的“分子钳”。

实验结果显示，这种复合材料在150℃和15个大气压下，合成氨的速率达到了惊人的每克催化剂每小时587.5微摩尔，远高于普通对照组。

来源：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69691-8

即使反应条件降至90℃、12个大气压，催化剂仍然能够工作，只是效率有所下降。

在反应进行60个小时之后，由铀-石墨炔催化的氨合成浓度达到3.08ppm，是‌钌（Ru）基催化剂的2倍，是铁基催化剂（基本没有产物生成）和空白对照组（无催化剂）的20倍。

更令人印象深刻的是，这种催化剂表现出极佳的稳定性，可以循环使用而不明显失活，而且具有很强的抗氢中毒能力——这是许多传统催化剂面临的难题。

最具吸引力的部分，是这项研究揭示的催化机制。

通过理论计算和实验表征的结合，研究团队发现，当氮气分子被双铀位点捕获后，铀的5f电子在石墨炔共轭结构的调制下，会向氮气的反键轨道注入大量的电子。

这就像往一根紧绷的绳子两端持续施力，氮-氮键被拉长，键能被显著削弱。

随后，氢气分子加入这场“化学反应之舞”，氢原子依次与氮原子结合，最终生成氨并脱离催化剂表面，完成一个催化循环。

整个过程遵循着一种被称为“远端路径”的反应机制，其中最关键的一步——第一个氢原子的添加——需要跨越0.88个电子伏特的能垒，这比传统的钌基或铁基催化剂要低得多。

更巧妙的是，反应中最困难的一步并不是氮气的活化，而是最后氨分子的脱附，这保证了催化剂不会因为产物“赖着不走”而失活。

研究团队还通过同位素标记实验，并通过核磁共振确认了产物中的氮确实来自于原料气，排除了任何可能的污染干扰。

这项工作的意义远不止于合成氨本身。它首次证明了锕系元素与碳材料复合后，可以在温和条件下实现高效的热催化反应，为铀等放射性元素找到了新的非核用途。

研究团队在论文中写道，这种“三部曲”——特异性识别氮气、高效反应、顺利释放氨——如此优雅地协同工作，才最终在温和条件下实现了高效合成氨。

不过，这项研究目前仍处于实验室阶段，铀的放射性和稀缺性决定了它不可能大规模替代现有的铁基或钌基催化剂。

但总的来说，这项技术开创了利用核能领域“边角料”——贫铀的新模式，为绿色氨合成提供了具有潜力的新路径，是放射化学与催化科学交叉融合的一次成功探索。

Reference：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-026-69691-8

[2]https://www.chem.pku.edu.cn/kyjz/e813a9855bff4aa6a7760630a368446c.htm

[3]https://www.stdaily.com/web/gdxw/2026-03/07/content_482160.html

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