100年前为农业带来颠覆性创新的化学反应，现在需要退休了

氮元素是地球大气层中储量最丰富的元素，同时也是最具有惰性的。无论你是吸入它，咽下它，或是让你的皮肤沐浴其中，氮气都依旧保持着它原来的样子。

但是，在20世纪初期，来自德国的两个化学家弗里茨•哈伯（Fritz Haber）和卡尔•博世（Carl Bosch），发明了由氮气合成氨的方法，实现了从稀薄空气中生产肥料。然而，这个方法需要大量的能量。哈伯-博世制造法需要在高温、高压的条件下完成，还需要从化石燃料中获取氢原子。

从这个过程中获得的氨可以用来给庄稼施肥，而当人们吃下庄稼后，相当于庄稼又给人们“施了肥”。因此从平均上来讲，人体内细胞中一半的氮元素可能都来自于哈伯-博世制造法。“哈伯-博世制造法对人类至关重要，”西北大学的化学家麦考利•卡纳茨迪斯（ Mercouri Kanatzidis）说道。

但是，这个100年前的天才之作，却在2016年遇到了问题。哈伯—博世制造法要烧掉占全世界产量3%的天然气，同时也因此释放了占世界总碳排放量3%的碳。如果说依靠化石燃料来发电供暖是种不可持续发展的话，用化石燃料来生产食物同样也是不可持续的。

因此，大家开始热衷于寻找哈伯-博世制造法的替代方法。上个月，美国能源部签署了一份《研究经费申请机会的公开声明》，来寻找可持续的制氨方法。

其实真正的挑战不在于不利用化石燃料来制氨本身，科学家早就解决了这个问题。难度在于要达到和哈伯-博世制造法这样大的生产规模的同时，保持同样低的制造成本，毕竟哈伯-博世法达到目前这个效果是用了一百多年来逐渐完善的。

因此，想要最终实现这个目标，可能需要同时在几项技术上有所突破。

细菌和阳光

当然，氨早在哈伯—博世法被发明之前就存于地球。几百万年以来，土壤中的固氮细菌一直在将空气中的氮气转化成氨，氨又被植物吸收，然后植物又被动物和人类吃掉。人类细胞中的氮元素也有相当一部分来自于细菌。

因此，在寻求制氨新方法的研究中，科学家们开始试着模仿自然。“与哈伯—博世法相比，生物用非常简单的方式完成了这个化学反应。”国家可再生能源实验室的一名光学生物学家保罗·金（Paul King）说道。

举个例子来说，它在室温下就可以发生，并不需要哈伯—博世制造法这样的高温高压条件。固氨细菌可以产生一种酶来捕获N2 分子和H+ 离子，使他们按照正确的方式形成氨（NH3）。

这个酶催化反应只需要少许的能量。在细菌中，这些能量来自于一个被称为ATP的分子，而保罗·金使用的是一种更简单的替代品：阳光。

在最近发表于《科学》的一篇论文中，他的团队将类似于太阳能电池板中找到的光敏纳米棒插入这种酶中，从而将酶激活。基本上，所有需要做的，就是把这种镉制成的材料和一些酶混合，然后把它们置于阳光下。

看吧，氨就这样制成了——尽管只有很少的量。

制造更多的氨会有哪些问题呢？“这些酶的成本很高，”保罗·金说。酶是令人难以置信的复杂的分子，他们必须从活的细菌中提纯出来。“耗费很长的时间和大量的水来分离它，最后可能只得到不到1微克，”卡纳茨迪斯说，“我们甚至都不能将这种方式作为应急手段。”

在美国西北大学，卡纳茨迪斯正在寻找一种叫做硫属凝胶（chalcogel）的人造材料来取代这种酶。在另一篇最近发表的论文中，他的团队提取出酶的活性位点中常见的金属，并且把他们聚集在一起。这些小金属簇团是黑色的，因此他们也吸收光能。当研究人员将材料撒入水中，放在光照下通入氮气，就能得到氨。这样一来，就不需要昂贵的酶了。

但新的问题又来了，固氨酶已经进化了上百万年，相比之下，硫属凝胶只能算非常粗略的近似固氨酶，因此它的合成效率要慢了数千倍。金的所使用的固氨酶光驱动系统的合成氨的速率大概是酶在自然条件下合成速率的63%。这两种方法想要提升到哈伯—博世制造法的水平上都有一定难度。到目前为止，其他团队已经用聚合物膜和钛基分子进行过实验，但是存在着一些类似耐用性和效率的其他问题。

氨经济

因此，这些新的氨合成系统还有很长的路要走，但是他们不一定需要超越哈伯—博世制造法。保罗·金和卡纳茨迪斯都利用了光能其实并不是巧合。通过哈伯—博世制造法制造氨就像在一个大型中央火力发电厂发电，然后需要运送数百英里才能到达它的使用点。但是，利用太阳能电池板可以在任何需要用电的地方发电。同样，利用太阳能合成氨法，也可以在任何需要的地方制造出肥料。

储存电力是会比较麻烦的，但相比较而言储存氨是很容易的。你大概还能想像出其他基于其他可再生能源的其他氨合成系统。“我已经记不清和多少人谈过这个话题了，他们都希望利用风力发电机来为农场制造出他们自己的肥料或燃料。”氨燃料协会执行理事约翰·霍尔布鲁克（John Holbrook）说道。

就像名字所暗示的，霍尔布鲁克对于氨的野心已经不止是制造肥料。现在，汽车和发电厂都依赖于化石燃料，而这些能量都储存于碳键中。但是氨中也存在足够的能量，因此我们可以想像一个基于氮的燃油经济。毕竟，哈伯—博世制造法在20世纪初的德国另一个主要用途是制造炸药。

它的好处就是没有更多的碳排放。“在氨燃料社区，我们觉得大家开始逐渐认识到了这一点，”霍尔布鲁克说道，“我们已经在这里开了13年会议，没有任何能源部的人来参加。”

而今年氨燃料协会会议上的主要发言人将会是美国能源部的一个项目负责人Grigorii Soloveichik。

来自于高层政府的投资兴趣是一回事，让无矿物燃料的氨合成在商业上具备可行性又是另一回事。保罗·金认为，最终会使这个工业启动起来的因素将是碳税。人类不需要认识氮的价值，只需要看到碳的危险性就行了。

来源：wired 翻译：sumi