2026年3月4日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院官網(wǎng)發(fā)布消息，沈興海教授團(tuán)隊(duì)與中科大合作的研究成果剛剛上線國(guó)際期刊Nature Communications。論文標(biāo)題直指核心，Thermal catalytic synthesis of ammonia using uranium/graphdiyne composite at mild conditions。消息一出，科技媒體迅速跟進(jìn)轉(zhuǎn)載，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始留意這項(xiàng)來(lái)自中國(guó)的催化突破。

傳統(tǒng)合成氨工藝用了上百年，始終離不開(kāi)哈伯-博施法。那套方法要在四五百攝氏度、幾百個(gè)大氣壓下運(yùn)行，耗能巨大，尤其用綠氫做原料時(shí)，成本比灰氨高出一倍多。綠氨本該是清潔能源載體，能儲(chǔ)存可再生電力，卻因?yàn)楣に囅拗齐y以大規(guī)模推廣。

沈興海團(tuán)隊(duì)早就盯上了這個(gè)問(wèn)題。他們長(zhǎng)期做放射化學(xué)交叉研究，2020年在Angewandte Chemie上就發(fā)表過(guò)錒系元素與石墨炔的初步發(fā)現(xiàn)。這次直接用貧鈾和石墨炔搭成復(fù)合催化劑，徹底改變了反應(yīng)條件。

制備過(guò)程先在超臨界二氧化碳里合成高質(zhì)量少層石墨炔，層數(shù)可控，連帶隙變化規(guī)律都摸清楚了。然后把鈾原子負(fù)載上去，形成均勻分散的原子簇。球差電鏡看得很清楚，相鄰鈾原子間距正好0.35納米，跟氮?dú)夥肿映叽鐕?yán)絲合縫。

這樣的結(jié)構(gòu)讓氮?dú)庖詷蚴轿椒绞奖焕卫巫プ。罨軌敬蠓档?。催化反?yīng)只需要150攝氏度和15個(gè)大氣壓，每克催化劑每小時(shí)就能產(chǎn)出587.5微摩爾氨，而且循環(huán)多次后性能還很穩(wěn)。

機(jī)理研究結(jié)合實(shí)驗(yàn)光譜和理論計(jì)算，鈾的5f電子跟石墨炔大共軛體系發(fā)生獨(dú)特協(xié)同。電子轉(zhuǎn)移精準(zhǔn)，既能特異性識(shí)別氮?dú)猓帜茏尠狈肿禹樌摳?，整個(gè)過(guò)程選擇性高，幾乎沒(méi)有副產(chǎn)物。

石墨炔本身電子傳輸能力強(qiáng)，這次還首次實(shí)現(xiàn)了單層和少層精準(zhǔn)合成，為以后性能調(diào)控打下基礎(chǔ)。相比過(guò)去只能光電催化，這次直接走熱催化路線，更適合工業(yè)放大。

鈾元素以前主要用在核燃料上，這次把它5f軌道的催化潛力挖掘出來(lái)，等于給錒系化學(xué)開(kāi)了新方向。貧鈾本來(lái)是核工業(yè)邊角料，現(xiàn)在搖身變成高性能催化劑，資源利用價(jià)值直接提升。

綠氨成本降下來(lái)后，就能更好地匹配風(fēng)光電站的分布式布局?，F(xiàn)產(chǎn)現(xiàn)用，不用再建巨型工廠，間歇性電力也能高效轉(zhuǎn)化成可儲(chǔ)存燃料。國(guó)家煤電低碳改造方案里提到的綠氨摻燒計(jì)劃，將來(lái)落地會(huì)更順利。

氨作為氫能載體，儲(chǔ)存運(yùn)輸都方便，燃燒只出氮?dú)夂退?，清潔屬性突出。遠(yuǎn)洋船舶等領(lǐng)域正需要這種零碳燃料，溫和工藝一旦成熟，供應(yīng)鏈就能快速跟上。

團(tuán)隊(duì)第一作者包括已畢業(yè)的熊世杰、中科大的汪偉毅副研究員和北大的王帆，沈興海教授擔(dān)任通訊作者。國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合項(xiàng)目和中科大交叉創(chuàng)新項(xiàng)目提供了穩(wěn)定支持，合肥同步輻射實(shí)驗(yàn)室也給了技術(shù)助力。

這項(xiàng)工作證明，合成氨不止一條老路可走。未來(lái)通過(guò)持續(xù)優(yōu)化，催化效率還能再提升，真正助力能源轉(zhuǎn)型。科研人員正一步步把實(shí)驗(yàn)室成果推向?qū)嶋H應(yīng)用。

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