伊利諾伊大學芝加哥分校(UIC)的工程師們創(chuàng)造了一種太陽能電化學反應(yīng)，它不僅利用廢水制造氨(世界上產(chǎn)量第二大的化學品)，而且還實現(xiàn)了太陽能到燃料的效率，比任何其他可比技術(shù)好 10 倍。 他們的研究結(jié)果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學》上，這是一本研究能源輸送和環(huán)境保護交叉問題的頂級期刊。

首席研究員、UIC 工程學院化學工程助理教授 Meenesh Singh 說：“這項技術(shù)和我們的方法在允許按需合成肥料方面有很大的潛力，并可能對發(fā)達國家和發(fā)展中國家的農(nóng)業(yè)和能源部門，以及對減少化石燃料產(chǎn)生的溫室氣體的努力產(chǎn)生巨大影響”。

氨是一個氮原子和三個氫原子的組合，是化肥和許多制成品(如塑料和藥品)的一種關(guān)鍵化合物。目前用氮氣制造氨的方法需要燃燒化石燃料產(chǎn)生的大量熱量，以打破氮原子之間的強鍵，使它們能夠與氫氣結(jié)合。這個有百年歷史的過程產(chǎn)生了全球溫室氣體排放的很大一部分，這是氣候變化的驅(qū)動力。

此前，辛格和他的同事開發(fā)了一種環(huán)境友好的方法，通過在水基溶液中用帶電的、覆蓋著催化劑的網(wǎng)篩過濾純氮氣來制造氨。這種反應(yīng)只使用了極少量的化石燃料能源來電化網(wǎng)屏，從而分解氮原子，但它產(chǎn)生的氫氣(80%)多于氨氣(20%)。

現(xiàn)在，研究人員在該基礎(chǔ)上進一步改進，并開發(fā)出了一種新的方法。它們利用硝酸鹽(最常見的地下水污染物之一)來提供氮氣，并利用太陽光來電化反應(yīng)。該系統(tǒng)產(chǎn)生近 100% 的氨，氫氣副反應(yīng)幾乎為零。該反應(yīng)不需要化石燃料，也不產(chǎn)生二氧化碳或其他溫室氣體，其對太陽能的利用產(chǎn)生了前所未有的太陽能-燃料效率，即STF，為 11%，比任何其他生產(chǎn)氨的先進系統(tǒng)(約1%的STF)好10倍。

這種新方法依賴于一種鈷催化劑，研究人員在他們發(fā)表在《能源與環(huán)境科學》雜志上的論文《太陽能驅(qū)動的電化學合成氨，在環(huán)境條件下具有11%的太陽能-燃料效率》中描述了這種催化劑和新工藝。

為了確定催化劑，研究人員首先應(yīng)用計算理論來預(yù)測哪種金屬的效果最好。在通過這些模型確定了鈷之后，研究小組對這種金屬進行了實驗，嘗試用不同的方法來優(yōu)化其在反應(yīng)中的活性。研究人員發(fā)現(xiàn)，由氧化產(chǎn)生的粗糙的鈷表面在創(chuàng)造一個具有選擇性的反應(yīng)方面效果最好，這意味著它幾乎將所有的硝酸鹽分子轉(zhuǎn)化為氨。

辛格說：“使用廢水硝酸鹽意味著我們還必須從地表和地下水中清除污染物。隨著時間的推移，這意味著這個過程可能同時有助于糾正工業(yè)廢物和徑流水，并重新平衡氮循環(huán)，特別是在農(nóng)村地區(qū)，這些地區(qū)可能會經(jīng)歷經(jīng)濟上的不利因素，或承擔著接觸過量硝酸鹽的最大風險”。

他繼續(xù)說道：“我們都對這一成就感到非常興奮，而且我們不會在此止步。我們希望我們很快就會有一個更大的原型，我們可以在更大的范圍內(nèi)進行測試，我們已經(jīng)在與市政公司、污水處理中心和行業(yè)內(nèi)其他機構(gòu)合作，進一步開發(fā)該系統(tǒng)”。

關(guān)鍵詞： 科學家 太陽能 化學反應(yīng) 制造氨 工程師