氨 (NH3)，是生產(chǎn)氮肥不可或缺的原料，是農(nóng)業(yè)“固氮”的重要來源。2019年，全球氨的總產(chǎn)量達(dá)到每年1.5億公噸，成為世界上產(chǎn)量第二大的化學(xué)商品，其中有80%以上用于化肥生產(chǎn)，價值約700億美元。隨著全球人口的增加，預(yù)計(jì)到2050年，氨的需求將達(dá)到每年3.5億公噸。此外，由于人們對其作為能源載體的使用越來越感興趣，預(yù)計(jì)對氨的需求將進(jìn)一步增長。

工業(yè)生產(chǎn)氨的方法稱作Haber-Bosch，利用氫氣和氮?dú)獾慕饘俅呋磻?yīng)得到氨：

N+3H→ 2NH(ΔH=-92.4 kJ·mol)

該工藝由弗里茨·哈伯在1900年代初期開發(fā)，后來被卡爾·博施改進(jìn)為制造肥料的工業(yè)工藝。Haber-Bosch工藝被許多科學(xué)家和學(xué)者認(rèn)為是20世紀(jì)最重要的技術(shù)進(jìn)步之一，因?yàn)樗堑谝粋€允許人們通過大規(guī)模生產(chǎn)氨來生產(chǎn)植物肥料的工藝，當(dāng)今人類中大約一半的蛋白質(zhì)來源于通過Haber-Bosch過程固定的氮。美中不足的是，這項(xiàng)工藝會導(dǎo)致大量二氧化碳排放，每生產(chǎn)1公噸氨，大約排放1.9公噸二氧化碳，約占全球碳排放量的1.8%。反應(yīng)過程還需要高溫 (300攝氏度～500攝氏度) 和高壓 (200bar～300bar)，并且只能在大型反應(yīng)堆中實(shí)現(xiàn)。

總部位于澳大利亞墨爾本的Jupiter Ionics公司是從莫納什大學(xué)拆分出來的，它利用“電化學(xué)”，以在現(xiàn)場或更靠近農(nóng)場的地方生產(chǎn)少量的氨。通過這種方式，可以減少農(nóng)業(yè)對工業(yè)規(guī)模的氨生產(chǎn)的依賴及其對環(huán)境的危害，同時減少未來供應(yīng)鏈沖擊的可能性。憑借這項(xiàng)技術(shù)，它吸引了澳大利亞農(nóng)業(yè)食品技術(shù)風(fēng)險投資公司Tenacious Ventures的176萬美元種子輪融資。

“你可以考慮解決兩個主要問題：一個是從生產(chǎn)端到使用終端過程的所消耗的能源，二是使用地點(diǎn)，”Tenacious Ventures合伙人Matthew Pryor說，“因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)是集中的；而如果你能在當(dāng)?shù)匕葱枭a(chǎn)，就可以定制它。這就是這種方法的吸引力?！?/p>

綠色氨經(jīng)濟(jì)概述

這筆種子資金將繼續(xù)用于技術(shù)研發(fā)，并推進(jìn)其商業(yè)化。 Jupiter Ionics首席執(zhí)行官查理表示，“這項(xiàng)投資將使我們能夠快速跟蹤我們的發(fā)展計(jì)劃，以便我們能夠很好地滿足不斷增長的需求?！?/p>

Jupiter Ionics的技術(shù)源于莫納什大學(xué)國際公認(rèn)處于電化學(xué)氨技術(shù)前沿的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，由國際知名化學(xué)家麥克法倫教授和亞歷山大博士所領(lǐng)導(dǎo)，其對氨生產(chǎn)的研究成果于2021年6月發(fā)表。

麥克法倫教授

亞歷山大博士

Jupiter lonicsn氨生產(chǎn)流程

他們利用電化學(xué)氮還原反應(yīng) (NRR) 直接將氮?dú)膺€原為氨。這個過程比氮?dú)夂蜌錃庵苯臃磻?yīng)所需的溫度和壓力要低得多。雖然NRR作為替代Haber-Bosch的反應(yīng)方法早已受人矚目，但反應(yīng)效率低下，部分原因是需要“犧牲”質(zhì)子源。麥克法倫教授的研究將磷酸鹽引入作為質(zhì)子穿梭器，幫助解決了這一限制。

該工藝使用可再生電力，以空氣和水為原料，在室溫和大氣壓下零碳排放制造氨。

這種反應(yīng)方式不需要Haber-Bosch工藝的大規(guī)模工業(yè)級反應(yīng)堆，可以小到冰箱，能在單個農(nóng)場或社區(qū)層面推出使用，這也意味著不需要存儲。電化學(xué)的直接生產(chǎn)這一特性在可擴(kuò)展性和間歇性運(yùn)行方面獨(dú)具優(yōu)勢。

“我們開發(fā)的技術(shù)還為未來擴(kuò)大到出口規(guī)模的生產(chǎn)設(shè)施開辟了廣泛的可能性，這些設(shè)施將依托于專用的太陽能和風(fēng)力發(fā)電場，”麥克法倫教授說，“可以選址在理想的可再生能源發(fā)電地點(diǎn)，如西澳大利亞州北部地區(qū)?！?/p>

目前，該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)已將專利授權(quán)給Jupiter Ionics。

氨已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是未來國際航運(yùn)的理想零碳燃料，預(yù)計(jì)到2025年，這個市場的價值將超過1500億美元。麥克法倫教授認(rèn)為，使用碳中和生產(chǎn)技術(shù)，也有助于氨成為燃料，有希望在2050年之前取代化石燃料。