摘要：具体说就是用特殊催化剂，把空气里的氮气、水分和光线合成氨，而氨不只是农业用的肥料，还是种清洁燃料。要是这技术真能落地，岂不是以后随处都能取燃料，汽车边跑边造燃料实现“无限续航”？

最近刷到个消息，我着实吃了一惊——日本东京大学的科学家，居然声称能把空气直接变成燃料。

具体说就是用特殊催化剂，把空气里的氮气、水分和光线合成氨，而氨不只是农业用的肥料，还是种清洁燃料。要是这技术真能落地，岂不是以后随处都能取燃料，汽车边跑边造燃料实现“无限续航”？

现在提起氨，多数人先想到的是肥料，但在一百多年前，氨可是关系到人类能不能吃饱饭的“命脉物资”。

工业革命那会儿，全球人口涨得快，农业也得跟着扩，很快就遇到了“氨危机”。那时候生产肥料的氮源，全靠南美那边的鸟粪和智利硝石——这俩都是不可再生的自然资源，挖一点少一点，没几年就被过度开采得跟不上需求了。到1898年，英国化学家克鲁克斯直接发出警告：再找不到人工固定氮气的办法，人类迟早要面临全球饥荒。

这话一出，不少科学家都盯上了这个难题，其中就有德国化学家哈伯。1909年，哈伯终于找到了突破口——用高温、高压加上铁基催化剂，直接把氮气和氢气合成氨。后来到1913年，另一位德国化学家卡尔·博施把这技术做成了工业化生产，这就是后来业界公认的“哈伯-博施过程”。

别小看这个技术，它直接改写了人类粮食生产的格局。有了稳定的氨来源，肥料产量上去了，才能支撑起后来全球人口的快速增长。直到现在，哈伯-博施过程还是工业合成氨的主流方案，效率高、产量大，全球八成以上的氨都靠它生产。

不过到了今天，氨的用处早就不只是农业了。随着清洁能源需求增加，它的燃料价值被越来越多人看到——作为一种“氢载体”，氨在船舶行业已经开始试水，现在全球不少国家都在推氨动力船舶，算是个重要的发展方向。而东京大学西林仁昭教授团队这次搞的技术，比船舶用氨更进一步，号称能直接用空气里的资源制氨，这才让人觉得“魔幻”。

东京大学这技术之所以让人震惊，核心是它打破了哈伯-博施过程的限制——不用高温高压，只靠可见光就能用空气制氨。要搞懂它怎么实现的，得先从一个“仿生思路”说起。

现在全球研究“空气直接制氨”的团队，大多在学植物的本事。比如大豆、豌豆这些豆科植物，根部会跟根瘤菌共生，根瘤菌里有种“固氮酶”，能把大气里的氮气变成氨，而且整个过程不排二氧化碳，特别环保。

植物拿到氨之后，再通过各种酶转换成蛋白质、核酸，才能正常生长，也正因如此，豆科植物在贫瘠土壤里也能活。

东京大学的研究就是照着这个生物过程设计的：固氮酶里有个关键金属元素“钼”，团队就针对性地做了“钼络合物”当催化剂；另外还加了“铱络合物”当光敏剂——这俩合起来，就是整个反应的“核心推手”。

具体到制氨步骤，原料有三样：空气里的氮气、空气里的水分子（负责提供氢），还有一种叫“三苯基膦”的有机化合物（不用深究结构，知道它是给反应递“电子”的就行）。

除了原料，还得有“克立定”这种添加剂，作用是传递质子——说白了就是传递氢离子，只有氢离子传到位，电子才能跟着动，反应链才能走下去。最后再补个“东风”：波长400纳米以上的可见光，不管是阳光还是LED灯都能用。

把这些凑齐，反应就能发生：氮气、水、三苯基膦在两种催化剂和克立定的作用下，会生成氨气和一种磷氧化物。这里要说明白，两种催化剂和克立定都是“循环用”的，不会被消耗掉，所以反应方程式里没体现它们；而且实际反应比这复杂，还会产生氢气这种副产物，咱就捡重点说。

根据团队论文里的数据，这个设计的“量子产率”能到22.4%——意思是每100个光子能造出22.4个氨分子，这在光催化领域已经算很高的效率了，也能看出这研究确实有潜力，毕竟它是全世界首个能在常温常压下、用光驱动空气制氨的技术。

但这里有个关键问题：媒体都说它“只用空气里的原料”，可三苯基膦明明是额外加的啊？说白了，现在的技术还离不开这种还原剂，媒体的报道确实有点夸大。团队负责人西林仁昭说，以后能做到不用三苯基膦，而且这技术已经“触手可及”，计划几年后出成果——至于“触手可及”是不是真的快，咱先打个问号，但至少能看出他们有解决这个问题的思路，要是真成了，汽车边跑边制氨才真有可能实现。

就算空气制氨技术以后能成熟，氨到底适不适合当燃料，还得打个问号。咱先把它的优势和短板摆出来，一看就明白。

先看优势，氨作为燃料的核心价值，在于它是个优秀的“氢载体”。氨里氢的质量占比能到17.6%，这个比例很可观；而且氢要在零下253℃才能液化，运输储存成本极高，氨只需要零下33℃，不管是罐车运还是管道输，都比氢方便得多，特别适合大规模部署。这也是为什么现在船舶行业愿意试氨动力——远洋船舶需要长期续航，氨的储存优势能用上。

但短板也很明显，而且几乎戳中了“燃料刚需”：首先是能量密度低。氨的质量能量密度是18.6兆焦/千克，差不多是氢的1/6、汽油的1/2，要是用在内燃机里，同样油箱大小，氨的续航肯定跟不上；更关键的是氨的“反应性太差”——它的自燃温度高达650℃，比汽油的300℃、柴油的210℃高太多，而且火焰传播速度也慢，这就意味着现有内燃机技术根本用不了纯氨。

一方面点不着火，另一方面就算点着了，热效率也只有20%-30%，远不如汽油、柴油的40%。现在船舶行业用氨，也得跟柴油混着来，搞“双燃料系统”，没法完全替代传统燃料。

不过氨当燃料也不是没别的路，燃料电池就是个不错的方向。现在主要有两种设计：一种是直接氨燃料电池，能在室温下工作，启动快，效率能到40%-50%；另一种是固体氧化物燃料电池，得在高温下运行，启动慢，但效率更高，能到50%-70%。这么看，氨用在燃料电池上，效率比内燃机高不少，算是个有前景的方向。

但要注意，目前这两种技术的“技术成熟度”（TRL）只有3-6级，而大规模商业化需要8-9级——简单说就是还在实验室或小试阶段，离装车、装船用还有不小的差距，不是短时间内能落地的。

最后咱聊聊最核心的问题：东京大学这技术，到底是“颠覆性突破”还是“看起来厉害”？要是以后真能不用还原剂，会不会扭转日本的能源格局，还是说走了弯路？

先看跟现有技术的对比——现在也有零排放的制氨技术，比如用风能、太阳能发的电电解水制氢，再用哈伯-博施过程合成氨，这种“绿氨”的成本正在下降，预计5-10年内就能跟传统的“灰氢”制氨持平。而且它最大的优势是“能大规模生产”，已经有工业化的基础，比如中国、欧洲都在建大型绿氨工厂。

再看东京大学的技术：虽然不用高温高压，能耗低，但有两个绕不开的坎。第一个是“效率”——现在的技术还得靠三苯基膦，就算以后去掉了，只用可见光驱动，产能可能也上不来。要知道哈伯-博施过程能成为主流，就是因为高温高压能保证产量，有工业价值；而可见光的能量密度有限，就算催化剂再厉害，可能也撑不起大规模生产，总不能靠LED灯去造几万吨氨吧？

第二个是“放大难题”——实验室里做几克、几千克氨容易，要做到每天几百吨、几千吨的工业规模，催化剂的稳定性、反应装置的设计都是难题，现在连影子都没有。而且日本本身在氢能源上押注很重，氨能源更多是“备选方案”，就算这技术成熟，能不能跟氢能源竞争，也是个未知数。

所以说，东京大学这成果，确实是个“基础性突破”——实现了以前没做到的反应，思路很新，对科学研究有意义，但离真正的实用还有距离，更像是给未来做的技术储备，现在谈工业价值还太早。

氨作为燃料有潜力，但得先解决应用端的问题，比如燃料电池的成熟度；而空气制氨技术，还得跨过“效率”和“放大”这两道坎。最后想问大家：你觉得这条研究路线，未来真能派上用场吗？

来源：贾老师说的不假