综述：可持续氨生产的替代方法——概述与展望

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Alternatives methods for sustainable ammonia production – Overview and perspectives

可持续氨生产的关键技术路径与挑战分析，重点比较电化学合成、等离子体活化及生物质资源利用的效率与可行性，揭示催化剂特性、反应器设计与操作条件对产率与能耗的协同影响，指出生物质法因技术成熟度较高最具近期推广潜力，但需突破原料波动与工艺复杂度瓶颈。

　　

劳伦·奥莱克西（Lauren Oleksy）|摩西斯·阿德朱莫（Moses Adejumo）|西蒙娜·利古里（Simona Liguori）

美国克拉克森大学（Clarkson University）化学与生物分子工程系

摘要

氨（NH₃）是全球化肥生产不可或缺的原料，同时被视为基于氢的经济体系中的一种无碳能源载体。然而，其生产仍主要依赖于哈伯-博施（Haber–Bosch, H–B）工艺。尽管已经提出了许多替代的氨合成路线，但这些方法的实际可行性和可扩展性仍不确定。本研究重点探讨了可持续氨生产的新兴途径，特别是电化学、等离子体辅助和生物质衍生方法。研究表明，氨的产率、能源效率和稳定性受到催化剂性质、反应器设计及操作条件共同影响，而不仅仅是催化剂成分的影响。电化学系统受到氢气析出反应的竞争、传输限制和材料稳定性的制约；基于等离子体的工艺虽然提供了独特的非热活化途径，但仍存在严重的能源效率问题。相比之下，生物质衍生氨合成技术具有较高的技术成熟度，并且与现有基础设施兼容，尽管原料存在变异性和工艺复杂性，仍是最具近期应用前景的替代方案。通过热力学、动力学和系统层面的分析，本文指出了关键的性能阈值，并提出了研究重点，如催化剂-反应器集成设计、标准化指标和现实能源核算，以实现可扩展的低碳氨生产。

引言

氨（NH₃）作为一种商业产品，是生产氮基化肥的关键前体，这些化肥为全球约38亿人提供食物[1]。一个多世纪以来，氨一直通过哈伯-博施（H-B）工艺工业化生产，该工艺需要400–450°C的温度和150–250巴的高压[2]。然而，H-B工艺能耗较高，每年导致全球温室气体（GHG）排放量的1.8%，并产生近3.5亿吨二氧化碳（CO₂）[3]。此外，H-B工艺的氨产率较低，且依赖于天然气重整产生的氢气（H₂）[4]；这一过程本身具有较高的能源消耗，每千克氢气产生的二氧化碳约为9千克[5]。除了在农业中的重要作用外，氨最近作为清洁燃料和氢载体受到了广泛关注，因此开发可持续的氨生产路线变得尤为重要。氨含有17.6%的氢，具有较高的能量密度，是潜在的氢基燃料经济的理想载体[6]。此外，氨分解后仅产生氮气（N₂）和氢气（H₂），使其在使用过程中成为环保的能源载体。因此，需要可持续的生产方法来支持氨作为化肥前体和氢载体的双重角色。迄今为止，已经考虑了多种替代生产策略。过去35年来，电化学、等离子体和生物质衍生氨合成的研究迅速发展（见图1）。每种方法都为更可持续的氨生产提供了可能，有望大幅减少温室气体排放。

对可持续氨合成日益增长的需求体现在越来越多的综述文章中，这些文章探讨了不同的氮固定和氨生产途径。切尔卡索夫（Cherkasov）等人综述了从等离子体合成到通过金属配合物催化的生物过程的多种氮固定方法，而当前的研究努力集中在开发新型催化剂上[7]。艾哈迈德（Ahmed）等人研究了多种氢气生产技术及其在电催化、光催化、光电催化和生物催化过程中的应用对可持续氨合成的影响[8]。加瓦姆（Ghavam）等人对基于电化学（CH₄辅助-SOFEC/NGASE）和生物（黑暗发酵结合其他技术如光厌氧消化）的氨生产技术进行了评估[9]。还提供了各种氨生产方法的生命周期比较分析。最近，王（Wang）等人从经济可行性和气候角度评估了向可持续氨生产的转变[10]。随着替代氨生产研究的不断扩展，对这些新兴途径进行批判性比较、评估其成熟度并识别关键挑战的综合性综述变得越来越重要。

在本综述中，我们概述了可持续氨生产替代方法的最新进展，重点介绍了电化学、等离子体合成和生物质利用等经过充分研究的方法。虽然现有的综述通常分别讨论这些方法，但本文首次系统地整合了关键见解、必要的改进措施以及这些技术商业化实施的经济可行性。我们分析了操作条件、催化剂开发、竞争机制、产率和能源效率等关键参数，这些因素共同决定了这些替代方案的经济可行性。通过全面研究这些方面，我们旨在提供一个综合资源，以弥合当前研究与实际应用之间的差距，推动联合国可持续发展目标7（负担得起的清洁能源）和目标13（气候行动）的实现，促进高效、低碳能源技术的发展。

部分摘录

电催化氨生产

电化学氨合成通过将氮还原与可再生电力直接结合，为H-B工艺提供了一种潜在的可持续替代方案。在这些系统中，电能被转化为化学能，从而在从室温到800°C以上的各种条件下实现氨的生产[11]。与H-B工艺不同，电化学方法无需进行甲烷重整，因为所需的氢离子可以来自电解质或外部供应。

CRediT作者贡献声明

劳伦·奥莱克西（Lauren Oleksy）：撰写初稿、整理资料。摩西斯·阿德朱莫（Moses Adejumo）：撰写、审稿与编辑、数据整理。西蒙娜·利古里（Simona Liguori）：撰写、审稿与编辑、监督、资料整理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

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