上海
【文/观察者网 熊超然】
一个来自中国的科研团体，设计出一种新型催化剂，能够将农业和工业废水中的硝酸盐污染物转化为氨——即尿素化肥生产所依赖的核心化学原料，其转化效率几乎达到传统催化剂的三倍水平。
这篇详细阐述该突破性成果的研究论文，于今年3月18日发表在《美国化学学会志》（JACS）上，并荣登该期刊的封面。香港《南华早报》5月10日报道指出，这一成果开启了一扇通往“低能耗废弃物资源化利用”技术的大门，该技术未来有望有力增强中国的化肥供应链韧性。
这项创新技术的核心是“双原子催化剂”（dual-atom catalysts，简称DACs）。与单原子催化剂不同，双原子催化剂由两个相邻金属原子组成，能够协同驱动复杂、多步骤的化学反应，例如将硝酸盐转化为氨，或将二氧化碳进行转化。
然而，双原子催化剂的制备过程长期以来一直是一项充满艰辛的试错工程，不仅缺乏充分的理论指导，金属负载量普遍偏低，而且难以找到一种简便的方法来精准组装不同的金属对。
来自中国科学院福建物质结构研究所的韩丽丽团队，借助深度学习技术训练了一个人工智能（AI）模型，以筛选具有高配对率、能够更容易稳固结合在一起的金属对。
基于这一模型，该研究团队成功制备了14种经过精密设计的双原子催化剂。这些催化剂的成分涵盖了多种稀土元素，包括钇、钪、镧、铈、钐、铕、铒和镱。
这些催化剂的金属负载量达到了前所未有的水平，按重量计占比高达12.8%至30.7%，这一数值较此前的行业基准提升了四倍以上。
期刊封面图 《美国化学学会志》
值得一提的是，《美国化学学会志》的封面图片正是基于该论文内容绘制而成，其构图形象地展示了这种催化剂的微观结构——金属原子呈环状排列在一个中心点周围，宛如太阳系中行星围绕恒星公转一般。
当中方研究团队利用这些催化剂对富含硝酸盐的水体进行电解反应时，由于催化剂表面拥有极其丰富的活性金属位点，其氨的产率达到了普通催化剂所能实现水平的2.7倍。
《南华早报》指出，这项研究在环境和经济层面所蕴含的重大意义显而易见。从农田和工厂车间排放出的硝酸盐污染物，正是引发水体中藻类大规模爆发（即“水华”）以及形成“死亡区”（缺氧死水区）的“重要元凶”。电化学还原技术能够在室温下对硝酸盐进行无害化处理，将其转化为无害的氨。
而这种氨，正是合成尿素的关键中间产物。尿素是全球最主要的氮肥，如今几乎所有的尿素都是通过“博施-迈泽法”（Bosch-Meiser process）生产的，该工艺将氨与二氧化碳结合，其生产过程几乎完全依赖天然气作为能源。
2026年3月28日，河南郑州，第23届中原农资产品交易暨信息交流会上，施可丰化工股份有限公司展出的控释尿素。 IC Photo
这种对天然气的高度依赖，近期已在全球化肥市场引发震荡。全球大部分尿素贸易流源自中东地区，而霍尔木兹海峡正是该地区长期存在的战略咽喉要道。
一旦该地区发生动荡，天然气和尿素的供应便会受到挤压，从而导致价格飙升。当前，伊朗局势的紧张，便充分印证了这一趋势。
根据此前的报道，作为全球第二大尿素采购国，印度在今年4月就被迫以近乎两个月前两倍的价格，采购了250万吨尿素。
相比之下，中国凭借一条“以煤制肥”的工艺路线，保持了国内化肥产量的稳定，即在高温高压条件下，让煤炭、水蒸气与氮气发生反应，生成氨和二氧化碳，随后将二者结合合成尿素。
然而，无论起始原料是煤炭还是天然气，合成氨的工艺过程依然是典型的高能耗产业。
若能找到一种既廉价又高效的方法，从废弃硝酸盐中提取氨，虽然短期内尚无法取代那些大型化肥工厂的主导地位，但这却能提供一种极具价值的备用技术，从而进一步增强中国化肥供应体系的韧性与安全性。
“这种能够将有机废弃物转化为植物养分的催化剂，其价值远不止于精妙的化学工艺本身，更预示着一种有效的缓冲机制，能够帮助我们从容应对未来可能遭遇的任何供应冲击。”《南华早报》这样写道。
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