阳光和废水结合，制出世界第二大化学品，太阳能转化实现历史最高

伊利诺伊大学芝加哥分校的工程师们发明了一种太阳能电化学反应，它不仅利用废水制造氨，世界上产量第二大的化学物质，而且还实现了太阳能转化燃料的效率，比其他类似技术都高出10倍。他们的研究结果发表在《能源与环境科学》杂志上。

研究人员表示：“这项技术和我们的方法在按需合成肥料方面有巨大的潜力，并可能对发达国家和发展中国家的农业和能源部门，以及减少化石燃料产生的温室气体的努力产生巨大的影响。”

氨是一个氮原子和三个氢原子的组合，是肥料和许多工业产品的关键化合物，如塑料和药品。目前从氮中制造氨的方法需要燃烧化石燃料产生的大量热量，以打破氮原子之间的强键，使它们能与氢结合。这个有百年历史的过程产生了全球温室气体排放的很大一部分，而温室气体排放是气候变化的驱动力。

研究人员们开发了一种环保的方法，在水基溶液中通过带电的催化剂覆盖的筛网过滤纯氮气，从而制造氨。这个反应只使用了少量的化石燃料能量给屏幕通电，从而分解了氮原子，但它产生的氢气(80%)比氨(20%)多。

现在，研究人员改进了这一概念，并开发了一种新方法，利用硝酸盐，最常见的地下水污染物之一，提供氮和阳光，使反应带电。该系统产生的氨气几乎为100%，氢气副反应几乎为零。该反应不需要化石燃料，也不产生二氧化碳或其他温室气体，而且太阳能的使用产生了前所未有的太阳能到燃料的效率，这比其他最先进的系统生产氨高出10倍。新的方法依赖于钴催化剂，研究人员在他们的论文中描述了新的过程，“在环境条件下，利用硝酸盐的太阳能驱动电化学合成氨，太阳能燃料效率为11%。”

为了确定催化剂，研究人员首先应用计算理论来预测哪种金属效果最好。在通过这些模型识别出钴之后，研究小组对这种金属进行了实验，尝试不同的方法来优化它在反应中的活性。研究人员发现，氧化产生的粗糙钴表面最有利于产生选择性反应，这意味着它将几乎所有的硝酸盐分子转化为氨。

“在太阳能系统中找到一种活性、选择性和稳定的催化剂，有力地证明了在工业规模上可持续地合成氨是可能的。反应本身是碳中性的，这对环境有好处，而且如果该系统被开发用于工业用途，它也可能对环境有几乎净负面的修复作用。”

“使用废水硝酸盐意味着我们还必须去除地表和地下水中的污染物。随着时间的推移，这意味着这一过程可能同时有助于纠正工业废水和径流水，并重新平衡氮循环，特别是在农村地区，这些地区可能面临经济不利，或因过度暴露于硝酸盐而承担最大风险。”

通过饮用水大量接触硝酸盐与癌症、甲状腺疾病、早产和出生体重过低等健康状况有关。

“我们都为这一成就感到激动，我们不会就此止步。我们希望很快就能有一个更大的原型，我们可以用它来测试更大的规模。”