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A prototype device that converts atmospheric nitrogen into ammonia using wind energy, developed by researchers at Stanford University and King Fahd University of Petroleum and Minerals by Dr. Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur Professor in Natural Science at Stanford University, USA

绿色化学的变革：开创可持续发展新篇章

Self portrait of Dr. Richard Zare , Marguerite Blake Wilbur Professor in Natural Science at Stanford University, USA
Self portrait of Dr. Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur Professor in Natural Science at Stanford University. Image credit: Stanford University

绿色化学的变革：开创可持续发展新篇章

我们赖以呼吸的空气，正酝酿着一场革命性的巨变，其影响不仅限于农业，更将席卷整个化学领域。斯坦福大学与法赫德国王石油矿产大学的科研团队联手打造了一款突破性装置，利用风能捕集大气中的氮气，并将其转化为氨。该创新有望取代已沿用百年却高能耗的哈伯-博施法，为可持续发展树立起新的里程碑。相关研究已刊载于12月13 日的《科学进展》杂志，标志着可持续化学发展迈出了关键一步。

传统上，氨的生产需要在极高的压力和温度下将氮气与氢气结合，而氨是肥料中的关键成分。这一过程消耗了全球约2%的能源，并占年度二氧化碳排放量的1.8%。相比之下，新方法在室温和大气压下运行，无需依赖化石燃料。其结果是一种便携且可扩展的解决方案，可以让农民直接在现场生产氨，从而大幅降低成本并减少对环境的影响。

我们有幸采访了这项突破性研究的资深研究员Richard Zare博士，深入探讨了这项技术的灵感来源、挑战和更广泛的影响。以下问答突出展示了这项创新的变革潜力。

Prof. Chanbasha Basheer, Department of Chemistry, King Fahd University of Petroleum and Minerals by Dr. Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur Professor in Natural Science at Stanford University, USA
Prof. Chanbasha Basheer, Department of Chemistry, King Fahd University of Petroleum and Minerals, Image credit: Dr. Richard Zare

化学原理解析
问：是什么独特的化学或物理原理使这个装置能够利用大气氮并将其转化为化肥级化合物？
答：氮分子(N2)由于其强大的三重键而极其稳定，使其极难分解并转化为植物可利用的形式，如氨或硝酸盐。长期以来，工业界主要依靠哈伯-博施法进行转化，但该方法需要在极高温度和压力下运行，耗能巨大。

最新研发的装置巧妙运用界面化学原理，通过水滴与磁铁矿（Fe3O4）涂层筛网的相互作用来实现氮的转化。当水滴表面出现H+和OH-离子不完全溶剂化现象时，会生成羟基（OH）和原子氢（H）等活性自由基，从而触发大气中的氮转化为氨。值得注意的是，整个过程在常温常压下即可完成，无需额外加热或通电。该创新绿色节能技术仅需风力或鼓风机驱动，不但节能环保，而且具有良好的扩展性，为农业可持续发展开辟了新道路。

该技术的突破点在于采用磁铁矿（Fe3O4）涂层筛网作催化剂。当含水空气流经筛网时，气-水界面在常温常压条件下便能促进反应顺利进行。与传统方法相比，免去了高温高压等苛刻条件，充分体现了其环保、节能和易扩展的特点。一旦实现产业化，必将为可持续农业发展带来重大突破。

意外发现
问：在开发过程中是否出现了任何意外的科学现象，导致团队重新调整了最初的方法？
答：我们在界面化学领域取得的突破，其意义远不止于合成氨。研究过程中，我们发现该方法在合成多种高价值化合物方面也展现出惊人潜力。一个突出的例子便是成功地将甲烷（CH4）转化为甲醇（CH3OH）。众所周知，甲烷是一种威力强大的温室气体，而甲醇则是一种便于储存、运输和使用的液态产品。这一成果充分彰显了界面化学在应对环境挑战方面的独特优势。

更令人振奋的是，通过向反应体系中引入二氧化碳（CO2），我们还成功合成了重要的肥料品种——尿素（NH2CONH2）。这些意料之外的发现不仅拓宽了微液滴化学的应用边界，更预示着化学品生产方式正迎来一场重大变革，朝着更可持续、更易于规模化的方向迈进。目前，我们正致力于技术优化和放大生产，以期充分释放这项技术在农业和工业领域的巨大潜力。

革新化肥生产：从工厂到田间
问：氨的运输优势是什么？
答：氨作为一种优良的氢载体，在向氢经济转型的过程中，其运输优势尤为突出。尽管氢的储存和运输极具挑战性，但将其转化为氨则提供了一种更易于操作的实用解决方案。

然而，目前通过哈伯-博施法生产氨的方式却伴随着巨大的环境代价。尽管该方法对工业和农业发展至关重要，但其高能耗的生产过程却消耗了全球约 2% 的能源，并排放了全球约 1.8% 的二氧化碳，这主要归咎于通过蒸汽重整从天然气中提取氢气。为了充分发挥氨的优势，开发可持续的生产方法至关重要。

问：这项创新可能如何改变传统的化肥制造？
答：这项创新可能从根本上重塑化肥的制造方式，为农业提供一种更可持续、更具成本效益的替代方案。这项技术不再依赖大型工业设施将氨运输到农场，而是能够直接在农田中实现原位生产，从而有可能彻底改变整个供应链。

这种技术开辟了令人振奋的可能性，例如集成灌溉施肥系统。配备金属氧化物表面的喷灌设备可以通过从空气和水中生成氨，同时为作物提供灌溉和施肥服务。目前，这项技术的产量较低，更适合应用于水培温室等受控环境。然而，随着工程领域持续的合作与改进，其应用范围有望进一步扩大。若能成功，这将标志着化肥生产向分散化、可持续方向的转型，并使其成为日常农业实践的一部分。

驱动未来：下一代化肥生产的可持续能源
问：部署这项技术需要什么能源要求，特别是在偏远地区？
答：尽管这项技术同样遵循能量守恒原理，但其能源需求远低于传统的氨生产方法。主要的能源消耗集中在产生水滴和推动空气流过催化表面，而非直接驱动化学反应。这一系统可以依靠多种电源供能，例如电池、风能或常规电力，因此非常适合野外使用。这种多功能性使其特别适合缺乏集中能源基础设施的偏远地区农民。未来的技术发展可能会引入可再生能源，从而进一步提升系统的可持续性和部署潜力。

问：可再生能源对扩大这项技术规模的可行性如何？
答：太阳能和风能等可再生能源可以高效驱动这一设备，打造一个完全可持续的运行流程。太阳能电池板能够为鼓风机的运行以及水滴的生成提供必要电力，特别是在温室环境中，这项技术将实现环保与自给自足的完美结合。实施过程可能分阶段进行，从当前的实验室演示和小规模应用（例如在斯坦福实验室和利用当地水源的试点项目）逐步扩展到可以大规模生产氨的大型原型系统。这一扩展过程需要工程技术的进步以及财务支持的投入。

广泛应用的最终关键步骤是商业化——开发并推广能够无缝整合到农业生产中的系统。当该技术由可再生能源驱动时，它将使偏远地区或资源匮乏的农民能够以可持续的方式生产自己的肥料，可能从根本上改变全球农业的运作方式。

From left to right: Dr. Xiaowei Song, Prof. Chanbasha Basheer and Dr. Richard N. Zare by Dr. Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur Professor in Natural Science at Stanford University, USA
From left to right: Dr. Xiaowei Song, Prof. Chanbasha Basheer and Dr. Richard N. Zare. Image credit: Dr. Richard Zare

从实验室到市场：建立可持续创新的全球合作伙伴关系
问：这项技术的直接下一步是什么？
答：目前研发团队正全力推进技术规模化，已与多家创新型企业展开积极洽谈，进展相当顺利。这些合作将助力我们把实验室的研究成果转化为可实施的工业化方案。

该项目还得益于广泛的国际合作。来自中国的宋肖炜博士在我们研究团队中发挥了关键作用，而沙特阿拉伯法赫德国王石油矿产大学的Chanbasha Basheer教授在夏季访问期间也贡献了他的宝贵专业知识。

问：你们是否在探索氨生产以外的应用？
答：没错，我们正在探索几个非常令人兴奋的应用方向。例如，我们正与印度鲁尔基理工学院的Gnanamani教授合作，探索利用这种方法进行药物合成。由于制药行业通常只需要毫克或克级别的少量氨，因此为我们的技术提供了理想的早期应用场景。我们方法的多功能性使其有望在多个行业掀起变革。

使创新变得可及：从农田到全球市场
问：这个设备如何使发展中地区的农民受益？
答：该设备有可能显著降低成本，为农民，特别是发展中国家的农民提供一个负担得起的解决方案。通过降低生产费用，它可以促进更便宜的食品，使更广泛的人口受益。然而，确定准确的定价将取决于各种市场因素，这超出了我的科学专业知识范围。

问：这项技术可能带来什么额外的好处？
答：有趣的是，该技术还能产生羟基自由基（OH），它们结合后可形成过氧化氢（H2O2）——一种常见的消毒剂。此项意外的副产品为该技术在农业之外的应用开启了令人兴奋的可能性。尽管我们团队目前无法探索所有潜在的应用，但该技术本身就为合作与创新提供了一个绝佳的平台。我们诚邀其他研究者一起，在多个行业拓展其应用范围，共同发掘其巨大潜力。

可持续解决方案：利用水资源创造更绿色的未来
问：这项技术的广泛应用会对生态环境产生哪些影响？
答：最主要的积极影响将是大幅降低能源消耗。这项技术主要利用水作为化学反应的氢源，既推动了绿色化学的发展，又充分利用了丰富的自然资源。地球表面80%被水覆盖，包括我们已经成功测试过的咸水，因此这种方法在减轻淡水资源压力的同时，也展现出巨大的可持续发展潜力。虽然这项技术有望带来显著的生态效益，从可持续农业到绿色化学的新应用，但谨慎的实施和持续的监测对于确保其影响、规避潜在的负面后果仍然至关重要。

拓展前沿：从纳米颗粒到气候解决方案
问：这项技术能否应用于更广泛的化学品生产？
答：完全可以！在我们的实验室里，我们已经证明了该技术更广泛的应用潜力，例如生产银纳米颗粒。通过将硝酸银（AgNO3）溶解在水中并进行喷雾，我们就能触发银原子的形成，这些银原子会进一步聚集成纳米颗粒——在伤口护理等抗菌应用中大有用处。我们还成功制备了金纳米颗粒，在催化和先进材料研究领域也有着广泛的应用。气-水界面的独特反应性表明，这项技术有望彻底变革多种工业试剂和化学品的生产方式，其影响力将远远超出农业领域。

问：在推进这项技术方面，什么类型的合作伙伴关系最有价值？
答：这项发明本质上是一项跨学科的成果，其核心研发融合了化学、化学工程和物理学等多学科的知识。我们预见到它在医疗应用领域的巨大潜力，例如抗菌剂和治疗性化合物的生产。此外，该技术还与地质学和气候科学领域密切相关；我们发现它可以将有机硫化物转化为硫酸盐，而后者在云的形成和地球气候调节中扮演着关键角色。要充分释放这项技术的潜力，我们需要医学研究、气候科学、工程和政策等多个领域的通力合作。这种合作有望在可持续农业、环境保护等多个方面取得突破性进展，使其成为一项真正具有革命性意义的进步。

未来展望：为可持续世界转变化学
问：这项技术在未来10-15年可能如何塑造我们的未来？
答：我相信这项技术具备彻底重塑化学领域的潜力。它不仅仅是一项重大创新，其真正的价值在于能否成功实现大规模应用。诚然，在学术期刊上发表论文固然重要，但我们的最终目标是将这项研究转化为能够切实改变全球范围内人们日常生活的实际应用。如果能够成功实现规模化，这项技术将可能重新定义我们对可持续化学的理解，并催生出远超其最初设想的应用方案。

结论
这项突破性的创新有望彻底改变化学、农业及其他相关领域。通过推动化肥生产的分散化，利用可再生能源，以及实现绿色化学合成，它直击当前紧迫的环境和经济挑战。

随着Zare博士和他的团队不断改进和完善他们的发明，可能性似乎是无限——从赋能发展中国家的农民到推动制药和工业应用的发展。通过跨学科合作和全球支持，这项技术有望引领我们走向一个更可持续、更公平的未来，并重新定义现代科学和工业的边界。