中国科学院理化技术研究所张铁锐教授：太阳能驱动氮肥生产——迈向规模化的挑战与机遇

2025-12-31 11:19

上海

物质科学

Physical science

Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem Catalysis近日在线发表了题为 “Challenges and opportunities for the large-scale solar-driven production of nitrogenous fertilizers” 的评论文章。文章围绕太阳能驱动合成氨这一新兴绿色固氮路线，系统评估了其在未来可持续化肥生产路线的规模化潜力。作者不仅肯定了其在未来绿色肥料生产中的巨大潜力，更以近期实现的1平方米户外反应器为标志性案例，深入剖析了该技术从实验室走向户外所必须跨越的科学与工程鸿沟，并为实现大规模部署勾勒出清晰的技术与实施路径。作者认为，太阳能驱动合成氨有望为传统高能耗哈柏–博施工艺提供一种具有吸引力的低碳替代方案，为未来绿色氮肥生产体系的构建提供了重要参考与发展方向。

中国科学院理化技术研究所的Fangyu Gao为论文第一作者，中国科学院理化技术研究所的张铁锐教授为通讯作者。

太阳能驱动含氮肥料生产的优势与潜力

在全球农业体系中，含氮肥料始终是保障粮食产量与农业稳定的关键物质基础，其核心前体——氨的生产，至今仍被一个世纪前发明的哈柏-博施工艺所主导。该工艺每年消耗全球约2%的能源，贡献近1.8%的人为二氧化碳排放，是一条典型的高碳、高能耗集中式路径。

相比之下，太阳能驱动氮肥生产代表着一种近乎零碳足迹的分布式生产新范式。它模拟自然界的光合作用，利用太阳光、水和空气，在常温常压下直接合成氨，从根本上避免了化石燃料消耗与高温高压的高能耗过程。尽管过去十年在光催化材料领域取得了显著进展，但极低的太阳能-氨转化效率（通常低于0.1%）、高昂的放大成本以及反应器安全设计等难题，一直阻碍着其实用化脚步。此前已有研究通过对分布式制氨体系能效和经济性的系统评估，为该领域建立了环境影响分析的基本框架，并进一步指出，不同波段太阳光的有效利用在很大程度上决定了整体转化效率。在此基础上，金属态MoO3-x光催化体系在模拟太阳光条件下实现了约0.3%的转化效率，是迄今为止在模拟太阳光条件下报道的最高记录，为户外放大反应器的可行性提供了重要佐证。更为重要的是，受光伏板结构启发而构建的1平方米面板式反应器成功实现了为期6天的户外连续运行测试（图A、B），并完整演示了从光催化活化氮到生成固体硫酸铵肥料的全流程，验证了该技术路径从“实验室”走向“户外”的工程可行性。

核心挑战：效率、稳定性与标准缺失

要将实验室的成功复制到以平方公里计的光照场，仍需攻克系列交织在一起的复杂挑战。

效率与稳定性的科学瓶颈

在讨论太阳能制氨体系的进一步放大时，作者聚焦于反应效率与长期稳定性这两个核心反应要素上。尽管金属态MoO3-x光催化剂在实验室条件下已实现约0.3%的太阳能–氨转化效率，但其在户外放大体系中的应用仍面临着诸多限制。一方面，大尺寸光催化板中不可避免的光照不均，尤其是边缘区域的辐照衰减，会削弱氮分子的吸附与活化效率；另一方面，氮气在水相中的低溶解度和缓慢扩散速率，使得大尺度体系中的传质过程成为制约整体效率的重要因素。为强化传质，构建稳定的气–液–固三相界面是常见策略，但引入的连续曝气在改善传质的同时，会产生大量微气泡，引发严重的光散射和反射效应，反而降低光能利用效率。理论计算表明，典型尺寸（平均半径约50微米，数密度约10⁶–10⁷m⁻³）的微气泡对光散射的贡献可达14%至42%。因此，平衡氮气传质与光捕获效率是进一步提升STA效率的关键。

此外，光催化剂在长期运行中的稳定性也同等重要，其性能衰减可能源于活性位点钝化、反应副产物积累、表面润湿性变化以及气泡黏附等多种因素的共同作用。因此，作者认为，发展原位、动态的表征技术以实时监测催化剂在工作状态下的演变，对于理解失活机制和设计长效催化剂至关重要。

建立行业标准：从无序到规范

作者强调，建立统一的人工光固氮与太阳能制肥标准，是推动相关技术走向规范化发展的关键一步。当前该领域缺乏统一的评价标准，导致不同研究在光催化活性（如氨产率、选择性）、产物纯度（如重金属残留）以及长期稳定性（如>500小时光照下的效率衰减）等关键指标上无法横向比较，严重阻碍了技术迭代与工艺放大。通过制定统一标准，不仅可规范生产与评价流程，从源头上保障太阳能肥料在安全性和环境友好性方面的可控性，也能够为材料筛选、反应器设计和系统能效设定清晰的量化边界。因此，建立统一标准具有多重战略意义：

提供量化基准：加速高效光催化剂的筛选（例如，设定STA效率≥0.5%的目标）。

降低工程风险：明确反应器设计规格与系统能效阈值，减少中试失败率。

保障可持续性：设定系统可持续性指标（例如，可再生原料比例≥90%）。

标准化的实施需要涵盖统一的操作条件（比如气体性质、曝气条件、温度、光学参数及催化剂投加量等）、采用一致的测试组件（包括空白对照、同位素标记控制等）以及测量覆盖浓度、产率和效率在内等其他综合参数（诸如基本的界面覆盖度指标、三相界面特征以及耐久性等）。总体而言，作者认为，标准体系的建立是推动太阳能驱动含氮肥料替代传统高能耗制肥路线、实现规模化和可持续应用的关键转折点，并与高太阳辐照区域的区域化部署策略共同构成一条清晰可行的发展路径（图C、D）。

图: (A) 户外 1m2级大尺度光催化合成氨（NH3）反应器的结构设计与运行细节；

(B) 连续6天开展的户外太阳能-制氨（STA）效率测试结果（2022年9月 28–30日与10月4–6日，每日 10:00–14:00），反映该体系在真实环境条件下的稳定运行表现；

(D) 干旱与高日照地区的应用示例（以甘肃省民勤县为例），展示在高太阳辐照条件下实现分布式、可扩展光催化制氨的工程可行性与应用潜力。

太阳能驱动含氮肥料生产的规模化路径

针对太阳能制肥如何实现规模化这一关键问题，作者以中国西北部甘肃省民勤县为例，描绘了太阳能制肥的规模化蓝图。该地区年日照时间超过3,100小时，太阳辐照度强，拥有大量可供利用的荒漠化土地。根据土地适宜性评估，若在约107平方公里的可修复荒漠土地上（占该地区荒漠化总面积的1.5%）部署光合固氮系统，通过能量-物质平衡计算，预计年氨产量可达10.5万吨。

全生命周期分析显示，该路线的碳足迹显著低于传统的煤基合成氨工艺。在系统边界涵盖太阳能场、气体供应、后处理、分离干燥及成本分析后，该方法展现出合理的工程与经济可行性。采用辐射强度、容量系数和设备尺寸的敏感性区间进行分析，而非依赖单一固定数值，更能真实反映其在实际部署中的应用可行性。

总而言之，太阳能驱动的含氮肥料生产及其定向供给，为太阳能资源丰富而水资源匮乏的地区提供了一条实现农业脱碳的现实路径。通过持续攻克效率与稳定性难题，并建立统一的行业标准，这项绿色技术有望从示范走向大规模应用，最终重塑全球氮肥生产的可持续未来。