如果有一天，我们能直接从空气中“抽取”能量，把普通空气、水和阳光变成可燃燃料，会不会直接改变能源格局？
这听起来像科幻，但在科研前线，正有团队向这个方向探索。最近，日本东京大学的研究团队宣称，已在“常温常压”条件下，通过特殊设计的催化剂，直接利用空气中的氮气、水分和光线合成了氨。若能继续突破，这一技术或许会再度扭转能源格局。
01
告别高压：常温常压制氨术
空气、水和阳光，都是再平常不过的元素，直接变燃料这种魔法到底是怎么实现的？
按照日本东京大学西林仁昭团队的理论，汽车可以一边开，一边制取燃料，真正的无限续航啊。当然，说的“燃料”并不是石油、电力，而是氨（NH₃）。
说到“氨”，年纪稍长的朋友可能马上就能想到氮肥在平川田野间挥发的味道——毕竟没有氨，就没有现代高效的氮肥。
一般的氨工厂都还在沿用20世纪初德国化学家发明的哈伯-博施法工艺，通过氮气与氢气反应实现氨的工业化生产。不过氢气要从煤炭中制取出，还要求高温高压，俗称“棕氨”。
靠化石燃料制备的棕氨当然算不上环保，甚至每生产1吨棕氨，就会释放约2吨的温室气体，但是农牧业生产生活又离不开氮肥。根据世界经济论坛数据，氮肥几乎养活了世界上一半的人口。
我们也可以通过电解水制取氢气，作出“绿氨”，从而避免产生二氧化碳，但这一方式成本高昂且普及前景不明。
东京大学团队的制备方式特别就特别在，他们的氮源是和老方法一样来自空气，而氢源也来自空气，整个反应的能量驱动则来自于可见光。这么一来，既不需要高温高压环境，也不需要先制取氢气，整个过程不就能直接在开动的小汽车上实现了？
02
师法自然
大豆根部隐藏“能源密码”
想要了解他们的技术突破，需要先明白一个知识点，那就是自然界中豆科植物的固氮过程。
豆科植物如大豆、花生，它们自己就拥有一座藏在根部的“微型氮肥工厂”，工厂的“员工”是一种叫做“根瘤菌”的微生物。
它们会主动入侵豆科植物的根部，在这个过程中，豆科植物和根瘤菌达成了一项完美的合作：根瘤菌凭借其独特的“固氮酶”，能够轻松吸收空气中惰性极强的氮气（N₂）分子，并将其转化为植物可以直接吸收的氨（NH₃）；而植物则通过光合作用制造养分，持续为这些“寄居者”提供住所和能量，即碳水化合物。
这种共生关系，不仅能满足豆科植物自身的生长需求，还能肥沃土壤，让后续种植的其他作物也能受益。这就是为什么农业上常采用“轮作”技术，在一块土地上交替种植豆科和其他作物，相当于请来了一个天然的、自给自足的“施肥队”，极大地减少了对人工化肥的依赖。
研究团队就是受此启发，希望开发出一种人工固氮酶，进而“模仿”这个自然过程，用清洁能源驱动氨的合成。
经过研究，大豆植物的固氮酶中含有金属元素“钼”，团队就利用这个发现，设计出一种含有金属元素钼的特殊催化剂；还需要设计一些“电化合物催化剂”，用于整个空气制备氨的过程中。
先梳理一遍目前他们是怎么从空气中制备原料，并催化反应成氨的。
首先需要从空气中分离出氮气，然后就是空气中水分子要提供氢源，以及一些提供电子的原料。这些原料齐备之后，就需要电化合物催化剂。
至于氢源是怎么来的，需要深入探讨一下。氢气（H₂）的制备本质上是将含有氢元素的化合物分解的过程，最常见的原料就是水（H₂O）。而空气中虽然含有微量的水蒸气，但氢元素的主要来源是液态水，而非空气本身。
研究团队巧妙地绕开了以往“先制氢”的步骤 ，从而避免了相关的能耗和排放。新方法是直接用水作为氢源，与氮气发生反应；上述催化剂和还原剂共同作用，即可在常温常压下一次性完成“拆解水分子提供氢原子”和“固氮”两个过程。
还原剂最大作用就是降低分解水所需要的能量和反应难度，让反应在更温和的条件下高效进行。
万事俱备之后还需要可见光来驱动实现反应。团队利用铱基化合物捕获太阳光中的可见光，配合钼催化剂和电子供体，直接将氮气和水转化为氨。
研究团队声称，目前的反应虽然还依赖催化剂和还原剂，但“不使用还原剂的合成已经到了触手可及的阶段”，几年后即将实现。
03
“氨”能
清洁燃料还是有毒幻梦？
按照这个计划节奏，氨确实很有成为“燃料”的希望。
毕竟根据船舶行业的实验，氨的确可以直接替代柴油、汽油用于供能。而且氨有一大优点， 它的“辛烷值”特别高，这意味着氨抗震爆性极好，可以用高压缩比的发动机来提高输出功率。
根据研究结果，氨用作内燃机燃料时热效率高达50％，甚至近60％。
况且相比于其他绿色燃料，氨的运输就容易多了。氨的凝结温度仅为-33.4℃，在常压下都可被轻易地液化；即使在常温状态，9到10个大气压就能把氨气液化，非常方便。
液氨与液化石油气（liquefied petroleum gas, LPG）主要成分丙烷的凝结温度-42.1℃相近，因此可使用经防腐蚀处理的液化石油气设备来运输液氨。
尽管如此，氨依然有一些无法忽视的缺憾。
比如氨的燃烧缺陷。比如相对于汽油、柴油，氨的点火能量高、层流燃烧速度慢，需要跟其他燃料混合才能提升燃烧速度，但这样又会产生温室效应更强的排放物。
最重要的是，氨本身是有毒的气体，需要加压液化才能作为燃料使用，且氨气比燃油能量密度低，油箱要求是传统油箱的三倍多。不说小轿车了，哪怕是船舶，都需要特殊的燃料舱和供气系统才能运作。
但是如果绿氨制取足够方便、足够有价格竞争力，未必不会有专门针对氨燃料设计的交通工具出现。
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编辑｜张毅
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