俗稱阿摩尼亞的氨（ammonia，化學分子式為NH₃）既是肥料主要成分，也是重要的能源儲存媒介，惟現(xiàn)時全球有大約2%的能源被用于氨的生產(chǎn)，并且衍生出近5億噸的二氧化碳¹。由香港城市大學（城大）科學家領導的一個研究團隊早前研制出一款新型光催化劑，在陽光照射下的室溫環(huán)境里，成功從空氣里的氮生產(chǎn)出氨，比現(xiàn)時造成大量碳排放的傳統(tǒng)生產(chǎn)辦法更勝一籌。研究團隊相信這種可持續(xù)發(fā)展式的氨生產(chǎn)技術，有望促進未來氮經(jīng)濟（nitrogen economy）的發(fā)展。

這項研究由城大能源及環(huán)境學院（SEE）的信興教育及慈善基金教授（能源及環(huán)境）梁國熙教授和助理教授尚進博士，以及澳洲的學者聯(lián)合領導。研究結果已發(fā)表在科學期刊《ACS Nano》上，題為〈Atomically Dispersed Iron Metal Site in a Porphyrin-Based Metal-Organic Framework for Photocatalytic Nitrogen Fixation〉。

¹_{https://royalsociety.org/-/media/policy/projects/green-ammonia/green-ammonia-policy-briefing.pdf}

能取代石油和煤炭的發(fā)電用新興燃料︰氨

氨是食物和肥料的重要成分，人工制成的氨多數(shù)會制成肥料用于農(nóng)業(yè)，也可做成清潔劑和制冷劑等，工業(yè)用途廣泛，是重要的化學物。更重要的是，近年氨備受關注，是因為可以從中提取燃料電池使用的氫，氨又比氫更易液化，方便運輸。另外，氨本身也可以取代石油和煤炭，用作發(fā)電用的燃料，因此有大量生產(chǎn)的需求。

現(xiàn)行生產(chǎn)技術危害環(huán)境

不過，生產(chǎn)氨的前提是要將氮“固定”。而雖然大氣中有80%為氮，但這些游離的氮無法被直接利用，要先轉(zhuǎn)化為含氮的化合物，這個轉(zhuǎn)化過程稱為固氮作用（nitrogen fixation）。固氮作用可分為自然固氮或人工固氮兩種，人工固氮方法有工業(yè)上常用的哈伯-博施法（Haber–Bosch process），以鐵為催化劑，在高溫高壓下將氮與氫化合以生成氨。目前氨的工業(yè)生產(chǎn)主要依賴傳統(tǒng)的哈伯-博施法，但這個方法需要消耗大量化石能源，也造成嚴重的二氧化碳1排放，與可持續(xù)發(fā)展的方向背道而馳。

為了找尋更環(huán)保的制氨方法，梁教授與尚博士帶領的團隊攜手合作，目標是運用可再生能源和水，在室溫環(huán)境下將氮固定。當中團隊面臨最大的挑戰(zhàn)，就是研制出一種可以令氮在被固定時，仍可以發(fā)生多重反應的催化劑。

新型仿生光催化劑

在大自然中，固氮酶（nitrogenase，酶的一種）中的鐵會結合和激活氮，而葉綠素中的卟啉（porphyrin，一種有機化合物）就有效地收集陽光。團隊受此啟發(fā)，研制出一種結合兩者特性的多孔晶體光催化劑：鐵金屬化卟啉基金屬有機框架（iron-metalated porphyrin-based metal-organic framework (MOF) ）光催化劑。這種厚度只有15至25納米的仿生光催化劑，只需在陽光照射和以水作為還原劑，于室溫環(huán)境中固定氮，發(fā)生化學反應后產(chǎn)生氨。

團隊制作這款光催化劑運用了金屬有機框架，原因是可以提供更多活性位點，讓氮在材料表面被吸附和被激活，因此提升了氮還原反應的效能。

團隊用此光催化劑進行實驗，證實能夠生產(chǎn)出氨。梁教授說：“在基于MOF的光催化劑中，這種新型光催化劑展現(xiàn)出最佳的光催化固氮性能。它的氨產(chǎn)量和水解穩(wěn)定性（hydrolytic stability）在MOF中的表現(xiàn)可謂是數(shù)一數(shù)二。”光催化劑擁有良好的水解穩(wěn)定性，意味著它可以重覆使用。

透過這個研究，團隊了解到該仿生光催化劑的光催化氮還原反應。尚博士表示，相關的新知識將會引領新一代基于MOF的光催化劑的設計，并促進研發(fā)各種卟啉基MOF的光催化劑，及其于不同能源和環(huán)境的應用潛力。團隊希望此具前瞻性的研究可以啟發(fā)專注于催化領域的科學家和工程師，探索在室溫環(huán)境利用MOF基仿生光催化劑啟動其他化學反應的可能，而并非只局限于人工固氮。

梁教授總結說：“若要達致碳中和，最理想的做法是在生產(chǎn)能源和化學產(chǎn)品的過程中，無需使用任何化石燃料。我們于這次研究中，便成功開發(fā)了一種只需陽光和水，便可從大氣中的氮合成氨的技術，讓我們以可持續(xù)的方式，獲得了無碳能源。”他們相信這種環(huán)保地生產(chǎn)氨的研究成果，有助減緩能源危機及紓緩環(huán)境污染問題。

梁教授、尚博士和澳大利亞核科學與技術組織同步加速器研究中心（Australian Synchrotron, ANSTO）的顧勤奮博士，均是這篇論文的共同通訊作者。論文的第一作者是來自SEE的博士生尚姍姍（現(xiàn)為香港大學博士后）、熊巍博士（現(xiàn)為大連理工大學講師）。SEE的助理教授徐先億博士，以及劉汝庚博士（現(xiàn)為哈爾濱工程大學講師）亦有參與研究。團隊的其他成員則來自香港大學和ANSTO。

這次研究獲得城大、深圳市科技創(chuàng)新委員會、國家自然科學基金委員會、香港研究資助局和中央高校基本科研業(yè)務費專項資金的資助進行。

DOI number: 10.1021/acsnano.0c10947

本文已于 “香港城大研創(chuàng)” 微信公眾號發(fā)布。
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