摘要：当日本东北大学的NiCuFe-LDH纳米片在《Advanced Functional Materials》期刊上亮相时，整个能源环保领域都嗅到了变革的气息——这种看似普通的催化剂，能把水中的硝酸盐污染物直接变成高价值氨，还能让制氨过程的能耗降低一半。而更令人振
当日本东北大学的NiCuFe-LDH纳米片在《Advanced Functional Materials》期刊上亮相时，整个能源环保领域都嗅到了变革的气息——这种看似普通的催化剂，能把水中的硝酸盐污染物直接变成高价值氨，还能让制氨过程的能耗降低一半。而更令人振奋的是，中国科学院金属研究所早已在这条赛道上实现“弯道超车”，其研发的Co₄Fe₆合金催化剂不仅法拉第效率突破98%，更能在工业级工况下连续500小时稳定产氨，让“污水治污又产能”的绿色循环从实验室走向产业成为可能。
哈伯法的百年之困：全球2%能源消耗换1%碳排放
氨，这种由氮和氢构成的简单分子，是现代社会的“隐形基石”——全球80%的氨用于制造化肥，支撑着世界一半人口的粮食供应，同时因其无碳燃烧特性，被视作未来的“能源货币”。但支撑这一切的，却是已有百年历史的哈伯-博世法，这项曾获诺贝尔奖的技术，如今已成为名副其实的“能源吞噬者”与“碳排放大户”。
要生产1吨氨，哈伯法需要在500℃高温、200倍大气压的极端条件下运行，消耗的能源占全球年能源供应的1%至2%，相当于每年烧掉20个三峡电站的发电量。更严峻的是，该过程每生产1吨氨会排放1.8吨二氧化碳，全球氨工业每年的碳排放总量达4.5亿吨，超过英国全国的碳排放量。在“双碳”目标与能源危机叠加的当下，寻找替代技术已成全球共识。
电催化硝酸盐还原反应（NitRR）曾被寄予厚望。这种技术能在常温常压下，利用电能将水中的硝酸盐（NO₃⁻）转化为氨（NH₃），既处理了水体污染物，又生产了高价值产品，堪称“一箭双雕”。但长期以来， NitRR 始终卡在“效率瓶颈”：传统催化剂要么对硝酸盐吸附能力弱，要么容易引发析氢副反应，导致法拉第效率（电能转化为化学能的比例）普遍低于60%，根本不具备工业价值。
日本“三层蛋糕”催化剂：94.8%效率的突破密码
日本东北大学WPI-AIMR研究所的Hao Li教授团队，用一种“层状双氢氧化物”（LDH）结构破解了效率难题。他们研发的NiCuFe-LDH催化剂，外形如同超薄的纳米级“三明治”，层间的镍（Ni）、铜（Cu）、铁（Fe）位点各司其职，构建出高效的“硝酸盐转化工厂”。
“普通催化剂就像杂乱的作坊，而我们的纳米片是流水线车间。”Hao Li教授形象地解释道。铜位点负责精准“捕捉”水中的硝酸盐分子，就像工厂的“原料抓取机械手”；镍位点加速水分子解离产生活性氢，为反应提供充足的“氢零件”；铁位点则作为核心反应台，推动硝酸盐逐步脱氧加氢，最终生成氨。这种三元金属的协同作用，让NitRR的法拉第效率从“几乎可忽略”跃升至94.8%，意味着94.8%的电能都用在了产氨上，大幅减少了能源浪费。
为验证实际应用价值，团队将这种催化剂集成到Zn-NO₃⁻电池中——这是一种能边处理污水边发电的“环保电池”。测试结果显示，该电池不仅法拉第效率保持在85.8%，还能输出12.4 mW/cm²的功率密度，相当于每平方米电池能点亮124盏1瓦的LED灯。“这意味着未来污水处理厂不仅不用耗电，还能靠治污发电产氨，实现环保与效益的双赢。”项目核心成员在论文中强调。
这种催化剂的另一大优势在于成本可控。NiCuFe-LDH的原材料均为常见金属，无需依赖铂、铱等贵金属，制备过程采用低温水热法，工业放大难度远低于传统催化剂。目前团队已在实验室完成10升规模的连续反应测试，下一步将进军真实污水系统验证性能。
中国Co₄Fe₆合金：500小时无衰减的“工业级利器”
就在日本团队公布成果前半年，中国科学院金属研究所刘岗团队已在《Journal of the American Chemical Society》上亮出更具工业价值的突破——他们研发的Co₄Fe₆合金催化剂，实现了98.6%的法拉第效率和近100%的产氨选择性，更关键的是，其稳定性达到了惊人的500小时连续运行无衰减。
“实验室数据再漂亮，不能工业化也是空谈。”刘岗团队的核心成员在接受采访时直言。他们发现，传统铁基催化剂在中性污水中存在两大致命缺陷：水解离速度慢导致“氢原料”供应不足，且容易发生析氢副反应浪费电能。为此，团队设计的Co₄Fe₆合金催化剂构建了“动态碱性微环境”，解决了这一行业痛点。
这种合金催化剂就像个“智能化工厂”：反应过程中原位生成的吸附态Fe²⁺会自发提高反应位点的局部pH值，相当于在中性污水里为催化剂“量身定制”了碱性反应池，打破了传统技术对溶液pH的依赖；钴和铁形成的双活性位点则实现了“分工协作”——钴负责快速裂解水分子生产活性氢，铁专注吸附硝酸盐并加速其转化，整个反应如同流水线般高效，几乎不会产生副产物。
在工业级电流密度测试中，Co₄Fe₆合金催化剂的表现堪称“硬核”：连续运行500小时后，法拉第效率仍保持在96%以上，硝酸盐去除率达97.8%，远超日本团队的实验室级数据。更值得一提的是，团队配套开发了膜电极组件电解装置，能直接将生成的氨浓缩为固态铵盐，解决了氨的储运难题，为工业化应用扫清了最后障碍。
从污水到能源：一场“负碳革命”正在酝酿
中日两国的技术突破，不仅改写了制氨产业的游戏规则，更开创了“环境治理+能源生产”的全新模式。这种“变废为宝”的技术路径，正让污水处理厂、化肥厂、养殖场等硝酸盐污染源头，有望转型为“绿色能源站”。
在农业领域，我国每年因化肥流失产生的硝酸盐废水超100亿吨，若采用Co₄Fe₆合金催化剂技术处理，理论上可年产氨1500万吨，相当于全国化肥需求量的20%，同时减少等量二氧化碳排放。在工业领域，化肥厂可利用自身废水生产原料氨，实现“闭环生产”；海上平台则能直接利用海水硝酸盐制备船用氨燃料，彻底摆脱对传统能源的依赖。
从技术路线看，日本的NiCuFe-LDH催化剂在“产电+产氨”一体化设备中更具优势，适合分布式小型处理站；中国的Co₄Fe₆合金则以高稳定性胜出，更适配大型工业级反应器。两种技术路径的并行发展，正加速推动NitRR技术的产业化进程。
不过，要实现大规模应用仍需跨越两道难关：一是催化剂的规模化制备成本，目前Co₄Fe₆合金催化剂单价约200元/克，虽远低于贵金属，但仍需通过量产降至50元/克以下；二是真实污水中的杂质干扰，工业废水含有的重金属、有机物可能导致催化剂中毒，需开发配套的预处理技术。
值得庆幸的是，政策东风已悄然吹起。我国“十四五”生态环境技术规划中，明确将“硝酸盐污染资源化利用”列为重点攻关方向，多地对环保新技术给予最高500万元的研发补贴。随着技术迭代与政策扶持，业内预测，到2030年，NitRR制氨技术有望占据全球氨产量的15%，减少碳排放超6000万吨。
从哈伯法的高温高压到NitRR的常温常压，从消耗能源到治理污染，制氨技术的百年演进，正是人类追求可持续发展的生动缩影。日本的层状催化剂与中国的合金催化剂，如同两把钥匙，共同打开了“负碳经济”的大门。当有一天，我们看到污水处理厂不再耗电而是输电，化肥厂不再排污而是产绿能，或许会记得2025年这个夏天——人类在与自然和谐共生的道路上，又迈出了坚实的一步。
来源：智能学院
