環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

首圖來源：Ruslanas Baranauskas

撰文 | Bell

編輯 | 小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1926篇原創(chuàng)

作為一種重要的大宗商品，合成氨在化工、能源、化肥等多個工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。

然而，傳統(tǒng)的氨工業(yè)生產(chǎn)過程能耗巨大，碳排放量高，是全球氣候變化的有力貢獻者之一。

近日，北京大學(xué)研究團隊在《自然·通訊》上發(fā)表的一項研究成果顯示，他們制備出一種名為“鈾-石墨炔”的復(fù)合催化劑，大幅降低了合成氨所需的能耗。

研究實現(xiàn)了在家用烤箱就能達(dá)到的溫度下，將綠氫與氮氣高效轉(zhuǎn)化為綠氨，為這個已經(jīng)存在了百余年的工業(yè)過程打開了一扇新的大門。

實驗數(shù)據(jù)顯示，在150℃的反應(yīng)條件下，合成氨的速率達(dá)到每克催化劑每小時587.5微摩爾；反應(yīng)持續(xù)60小時后，合成氨濃度達(dá)3.05ppm，約為基線對照組的20倍。

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

要理解這項工作的意義，我們得先回到二十世紀(jì)初。

1909年，德國化學(xué)家弗里茨·哈伯發(fā)明了一種將氮氣和氫氣合成氨的方法，隨后卡爾·博世將其工業(yè)化，這就是至今仍在使用的哈伯-博世工藝。

但這一傳統(tǒng)方法存在嚴(yán)重的能耗問題，反應(yīng)需要在300℃-500℃的高溫、150到200大氣壓的極端條件下進行。

綠氨與合成氨的本質(zhì)區(qū)別在于反應(yīng)物中的“綠色”氫源。

使用綠色氫源合成的綠氨，不僅是消納綠氫、存儲可再生能源的理想載體，還是生產(chǎn)“綠色氮肥”的根本原料。

但在現(xiàn)階段，合成綠氫與氮氣制備綠色合成氨的主流方式，仍需沿用哈伯-博施法。

使用這種傳統(tǒng)高溫高壓工藝除了能耗巨大，每噸綠氨的成本還比灰氨高了兩倍以上，嚴(yán)重影響我國綠氨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

因此，科學(xué)家們一直在尋求開發(fā)更高性能的催化劑，替代傳統(tǒng)的鐵基催化劑，實現(xiàn)溫和條件下的氨合成，在提高反應(yīng)效率的同時，降低單位碳排放與成本。

北京大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作的這項研究，核心創(chuàng)意在于選擇了兩個看似不太相關(guān)的搭檔——鈾和石墨炔作為催化劑。

圖說：U/GDY復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)

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

鈾是自然界中最重的元素之一，作為一種錒系元素，它的原子核周圍擁有關(guān)鍵的5f電子軌道，這些軌道具有特殊的電子排布方式，理論上非常適合活化氮氣分子。

氮氣之所以難以轉(zhuǎn)化，是因為它分子中的兩個氮原子之間由三根化學(xué)鍵緊緊連接，是自然界最穩(wěn)定的分子之一。

要打斷這些鍵，需要極其強大的活化能力，而鈾的5f電子恰恰具備這種潛力。然而，光有鈾還不夠，它需要一個合適的“舞臺”，或者說共軛體系，來施展本領(lǐng)。

這個舞臺就是石墨炔。石墨炔是一種神奇的二維碳材料，具有獨特的電子結(jié)構(gòu)、大比表面積和良好的金屬負(fù)載能力。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，石墨炔的層數(shù)可以精確調(diào)控其電子能帶結(jié)構(gòu)，而五層石墨炔恰好擁有最合適的能帶寬度，約兩個電子伏特，能夠最有效地與鈾的5f電子產(chǎn)生協(xié)同作用。

研究人員首先在超臨界二氧化碳中合成了從單層到十三層不等的石墨炔，然后巧妙地利用三碘化鈾（UI3）對八層石墨炔進行蝕刻，最終獲得了穩(wěn)定的五層鈾-石墨炔復(fù)合材料。

通過一系列高精度的電子顯微鏡和能譜分析，他們清晰地看到，鈾原子并沒有隨意堆積在石墨炔表面，而是形成了有序的納米團簇，整齊地排列在石墨炔的晶格上。

這些團簇中的鈾原子間距正好約為0.35納米，這個距離恰好能夠容納一個氮氣分子，使其以“橋式吸附”的模式同時與兩個鈾原子結(jié)合——這就像是為氮氣量身定制的“分子鉗”。

實驗結(jié)果顯示，這種復(fù)合材料在150℃和15個大氣壓下，合成氨的速率達(dá)到了驚人的每克催化劑每小時587.5微摩爾，遠(yuǎn)高于普通對照組。

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

即使反應(yīng)條件降至90℃、12個大氣壓，催化劑仍然能夠工作，只是效率有所下降。

在反應(yīng)進行60個小時之后，由鈾-石墨炔催化的氨合成濃度達(dá)到3.08ppm，是?釕（Ru）基催化劑的2倍，是鐵基催化劑（基本沒有產(chǎn)物生成）和空白對照組（無催化劑）的20倍。

更令人印象深刻的是，這種催化劑表現(xiàn)出極佳的穩(wěn)定性，可以循環(huán)使用而不明顯失活，而且具有很強的抗氫中毒能力——這是許多傳統(tǒng)催化劑面臨的難題。

最具吸引力的部分，是這項研究揭示的催化機制。

通過理論計算和實驗表征的結(jié)合，研究團隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)獨夥肿颖浑p鈾位點捕獲后，鈾的5f電子在石墨炔共軛結(jié)構(gòu)的調(diào)制下，會向氮氣的反鍵軌道注入大量的電子。

這就像往一根緊繃的繩子兩端持續(xù)施力，氮-氮鍵被拉長，鍵能被顯著削弱。

隨后，氫氣分子加入這場“化學(xué)反應(yīng)之舞”，氫原子依次與氮原子結(jié)合，最終生成氨并脫離催化劑表面，完成一個催化循環(huán)。

整個過程遵循著一種被稱為“遠(yuǎn)端路徑”的反應(yīng)機制，其中最關(guān)鍵的一步——第一個氫原子的添加——需要跨越0.88個電子伏特的能壘，這比傳統(tǒng)的釕基或鐵基催化劑要低得多。

更巧妙的是，反應(yīng)中最困難的一步并不是氮氣的活化，而是最后氨分子的脫附，這保證了催化劑不會因為產(chǎn)物“賴著不走”而失活。

研究團隊還通過同位素標(biāo)記實驗，并通過核磁共振確認(rèn)了產(chǎn)物中的氮確實來自于原料氣，排除了任何可能的污染干擾。

這項工作的意義遠(yuǎn)不止于合成氨本身。它首次證明了錒系元素與碳材料復(fù)合后，可以在溫和條件下實現(xiàn)高效的熱催化反應(yīng)，為鈾等放射性元素找到了新的非核用途。

研究團隊在論文中寫道，這種“三部曲”——特異性識別氮氣、高效反應(yīng)、順利釋放氨——如此優(yōu)雅地協(xié)同工作，才最終在溫和條件下實現(xiàn)了高效合成氨。

不過，這項研究目前仍處于實驗室階段，鈾的放射性和稀缺性決定了它不可能大規(guī)模替代現(xiàn)有的鐵基或釕基催化劑。

但總的來說，這項技術(shù)開創(chuàng)了利用核能領(lǐng)域“邊角料”——貧鈾的新模式，為綠色氨合成提供了具有潛力的新路徑，是放射化學(xué)與催化科學(xué)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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