绿氨规模化应用有了新路径

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　　本报北京3月20日电（记者晋浩天）当核燃料的“边角料”遇上神奇的二维材料，竟能为破解绿氨成本过高这一全球性难题提供全新方案。日前，北京大学化学与分子工程学院沈兴海团队首次利用铀原子与石墨炔的协同作用，在温和条件下实现了高效热催化合成氨，为绿氨规模化应用开辟了新路径。

　　沈兴海介绍，全球可再生能源发电量2025年首次超过煤电，而在这场能源变革浪潮中，一个关键难题正等待解决——风、光发出来的绿电，怎么才能存得住、运得走？答案藏于一种看似普通的化学物质：绿氨。它基于绿氢和绿电，不仅能做肥料，还能当燃料，且燃烧后只留下水和氮气，是理想的“零碳”能源载体。可问题是，绿氨太贵了。百余年来，合成氨靠的是哈伯-博施法，这个诞生于20世纪初的老工艺，需要在高温高压下“硬掰”氮气分子。算下来，每吨绿氨的成本比传统灰氨高出两倍还多。沈兴海说，想让绿氨真正走进千家万户，就得开发新一代催化剂，让反应在更温和的条件下进行，适应分布式、小规模的生产场景。“这是国际前沿的硬骨头，也是国家需求的紧迫任务。”

　　研究团队将目光投向了石墨炔。这种二维碳材料拥有独特的共轭结构和电子传输能力，在催化领域潜力巨大。但基于石墨炔的热催化合成氨此前一直未能实现突破。

　　研究团队独辟蹊径，想到了铀。他们在超临界二氧化碳体系里，建立了一套可控合成高品质二维石墨炔的新方法，并把铀原子“种”了上去。实验微观图像让人眼前一亮：铀以原子簇形式高度分散于石墨炔表面，原子间的距离，不多不少，正好0.35纳米——这个长度可使氮气分子吸附上来后，刚好能“架”在两个铀原子之间，形成桥式吸附模式。这种精准的几何匹配和特异性识别，让极难被活化的氮气分子，一下子被抓住，而且抓力适中，为后续加氢反应和氨的释放铺平了道路。

　　产氨测试结果同样令人振奋：在150摄氏度、15个大气压的温和条件下，铀-石墨炔复合催化剂就实现了高效热催化合成氨，速率达587.5微摩尔每克每小时，且循环稳定性很好。产氨速率对比研究发现，传统铁基催化剂和另一全球关注的钌基催化剂在相同条件下几乎无法产出氨。

　　“铀，这个长期以来多在核燃料循环里被关注的元素，第一次在催化合成氨的舞台上亮相。此前虽有一系列低价铀化合物活化氮气的报道，但真正实现催化转化，这是头一遭。”沈兴海说，这意味着，核能领域的“边角料”——贫铀，有望被转化为高附加值、高性能的催化剂，为铀的高值化、无害化利用开辟一条全新的技术路径。“可以说，石墨炔制备方法的创新及其基本物性的揭示，为新型二维碳材料在催化、电子器件等领域的广泛应用奠定了基础。”