激光和锂首次实现在环境条件下生产氨

激光技术的应用已经使固氮的方法发生了彻底的变革，为在环境条件下合成氨提供了一种新的方法。

近期，研究人员首次使用商用二氧化碳激光来破坏氮-氮三键，从而为哈伯-博世（Haber–Bosch）工艺提供了一种新的绿色替代方案。

据悉，该国际研究小组使用激光将氧化锂转化为金属锂，随后金属锂与空气中的氮自发反应形成氮化锂。这种盐很容易水解成氨，使得该方法的产量突破了历史记录。

基于激光的新工艺比传统的Haber-Bosch工艺更有效地生产氨（图片来源：Helmholtz Institute for Renewable Energy）
来自德国亥姆霍兹可再生能源研究所的第一作者Huize Wang表示：“我们引入了一个开创性的概念，利用高能激光促进各种氧化物转化为氮化物。”他补充称：“我们在室温和常压条件下取得了前所未有的产量。与其他方法相比，这一成果非常显著。”实际产率比其他最先进的解决方案(包括电化学和机械化学方法)高出两个数量级。

瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）小分子电化学转化专家Victor Mougel表示：“这是一种生产绿色氨的全新方法，相比Haber-Bosch工艺，它可能更具可持续性。Haber-Bosch工艺由于在高温高压下运行，因此非常耗能，而且还会导致二氧化碳排放。”此外他还表示，由于新方法在环境条件下工作，因此“具备操作灵活性和环境效益”。这一过程也可以在需要的地方直接产生氨，从而降低了运输成本。

该团队利用红外激光提供足够的能量来解离锂氧键，从氧化锂中生成金属锂。当暴露在空气中时，金属锂会自发地与氮结合，破坏氮-氮三共价键，生成氮化锂。他进一步解释道：“接着，我们通过水解激光产生的氮化锂，得到氨气和氢氧化锂。此外，这种方法为化学循环提供了机会。激光可以诱导氢氧化锂转化回氮化锂，有效地结束了锂循环。”他补充称：“这同时也成为了另一个新概念——氢氧化物到氮化物的转化。”

然而，英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的电化学和固氮专家Ifan Stephens仍持怀疑态度。他表示：“我对这种高产量能否长期持续存在表示怀疑。此外，它是一个批处理过程，而不是一个连续过程，这将极大地限制其可行性。相比于新的激光诱导方法，电化学技术可以实现连续工作，这是一大显著的优势。”此外，激光的能量需求可能会给扩大氨合成带来问题。他补充称：“如果你只是小规模生产氨，作为偏远地区的肥料，那么能源效率就变得不那么重要了。”

研究人员提出，与电化学相比，他们的方法具有显著的优势，比如脱溶和简化。此外，随着生产规模的扩大，所有新兴氨合成方法面临着最大的挑战。研究人员设想通过在网格表面上分布氧化锂粉末，然后用激光逐个照射反应细胞阵列来扩大这一过程。此外，研究人员还观察到其他氧化物表现出类似行为，如镁、铝、锌和钙，尽管其产量较低。

他解释道：“这可能是因为其他氧化物更难解离和水解。”不过，碱性和碱土金属对氮的反应性似乎很有希望。他表示：“我们最近的研究表明，镁和钙等更丰富的金属也能分解氮。”