氨是世界上最重要的化學品之一，其年產量僅次於硫酸。它主要用於製造肥料，對於養活全球人口至關重要。然而，氨的生產佔全球能源消耗的 2% 和溫室氣體排放的約 1.5%，因此尋找更永續的氨生產方式一直是研究重點。

傳統的氨生產方式是哈柏-博許製程，已沿用一個多世紀，佔絕大多數的產量。此製程依賴化石燃料提供所需熱能，且過程中使用的氫氣也主要來自化石燃料。

另一種方法是使用電化學而非熱壓，但迄今為止，這種方法在所需的規模上仍遠遠不具經濟競爭力。

現在，麻省理工學院的研究人員開發了一種方法，可以預測哪些材料在電化學氨生產中作為催化劑最有潛力。催化劑有助於驅動化學反應，其特性決定了反應的效率。

新方法無需透過耗時數年的試誤法來測試數百萬種可能的合金組合，而是能大幅加速尋找可使這種低排放方法與哈柏-博許製程競爭的材料。

核子科學與工程學系及材料科學與工程學系 (DMSE) 的 Breen M. Kerr 教授 Bilge Yildiz 表示：「我們的方法識別出驅動氨生產催化活性的關鍵物理特性。」這些結果可以指導尋找新型且更有效的催化劑化合物。

這項開放取用的研究成果於 8 月 11 日發表在皇家化學學會期刊 EES Catalysis 上，論文作者包括 Yildiz 教授、DMSE 博士生 Constantine Athanitis 和化學系博士生 Filip Grajkowski。

Athanitis 表示，隨著世界人口增長，「我們將需要越來越多的食物，而我們之所以能夠養活這麼多人，唯一的原因就是肥料。」然而，超過 90% 的肥料所需氨仍透過能源密集型的哈柏-博許製程製造，該製程「自一個多世紀前問世以來已被高度優化」。

他解釋說：「如果我們想符合社會的永續性、能源和氣候變遷目標，我們確實需要提出另一種替代方案。」世界目前每年使用約 2 億公噸的氨，「因此理想情況下，我們希望能夠找到一種方法，以更節能且更低二氧化碳排放的方式生產相同甚至更多的氨。」

使用電力生產氨並非新想法。他表示：「這實際上只是質子-電子對與氮氣之間的電化學反應。這些技術是存在的。」這種方法與電解槽使用相同的基本原理，電解槽利用電力驅動裝置中的化學反應。

然而，儘管該製程可行，但其效率不足以進行工業規模生產。Athanitis 說：「生產率和產量仍然太低。」他補充道：「即使一項技術對世界或氣候更好，公司和資本主義也不會允許它，除非它具有成本競爭力。」

如何使其更具競爭力？電化學製程的關鍵成分是金屬催化劑，其特性決定了在其表面發生的反應。Athanitis 表示：「如果我們能找到一種催化劑，既能降低所需能量，又對氨生產更具選擇性，那麼我們基本上就能中大獎了。」

更具選擇性的催化劑將能生產更多的氨，同時減少不必要的副反應。

然而，找到理想的催化劑並非僅僅識別一種完美的材料。不同的材料可以改善反應的不同部分，研究人員正在尋找能夠使氨生產高效、經濟且大規模實用的組合。

Yildiz 表示：「金屬氮化物化合物是這種反應以及識別決定氮還原和氨電合成反應性的電子、化學和結構特性的理想材料系統。」過渡金屬可以形成有前景的氮化物合金用於此目的。

Athanitis 表示，歷史上「材料研究幾乎都是試誤法」。通常的過程是取一些現有材料並「以某種方式進行調整」。他補充說：「這一切在某種程度上都受到科學和化學直覺的引導。」

現在，計算工具越來越多地被用於模擬物理相互作用並預測結果。一種稱為密度泛函理論的方法利用量子力學來模擬材料的特性和行為，使研究人員能夠在實驗室製造之前預測不同原子排列的表現。

Yildiz 表示，與其隨機搜尋所有可能的合金組合，「我們首先評估了材料的哪些微觀特性使其在氮還原方面發揮作用。」Athanitis 說，對於生產氨的催化劑，「我們正在研究過渡金屬氮化物」，因為它們已被證明在這些電化學氮反應中有效。

它們特別有效的原因是「催化劑本身固有的氮成為反應的一部分」。這產生了一系列化學步驟，其中一個步驟提供驅動下一個步驟所需的部分能量，從而減少所需的輸入能量。

他表示，這有助於解決氮還原反應中的一個主要瓶頸：打破氮分子中強鍵所需的高能量。然而，Athanitis 表示，這個過程遠非完美。它「在整個反應路徑中仍受到某些步驟的限制，包括氮解離和氫轉移。」

這項研究試圖識別這些瓶頸，並在機器學習的幫助下，確定這些金屬的哪些合金可能克服這些瓶頸。Athanitis 表示，有了這種理解，「它可以為我們提供洞察力，並開闢潛在的策略，說明我們如何調整這些材料以創造下一代更好的氮化物催化劑。」

未參與這項研究的威斯康辛大學工程學教授 Dane Morgan 表示，這種方法是「令人興奮的工作」，有助於為設計新的氨生產催化劑奠定基礎。Morgan 說：「這項工作有助於闡明材料的基本電子特性如何與其作為氨生產催化劑的作用相關聯。」他補充說：「這種理解可以透過更好的定性理解和加速計算篩選來指導研究人員設計新的催化劑。」

到目前為止，這項研究純粹是理論性的：研究人員已使用電腦模型識別出有前景的合金，但這些材料仍需要製造和測試。Morgan 指出：「將這些計算轉化為實用催化劑將需要許多額外的步驟，因此有意義的實際影響可能仍有一段距離。」

下一步將是建立一個工作反應槽，這是一種使用催化劑生產氨並在實際操作條件下測試其性能的實驗室裝置。Athanitis 說：「為了讓這項技術真正對社會產生影響，我們需要將其帶到實驗室。」

他補充說：「在可能性邊界上總是有所推動。我們認為我們已經將候選材料的邊界推向了以前未曾想到的地方，希望我們已經接近成功。但即使我們還沒有接近成功，我們仍在朝著正確的方向努力。」