受蓝藻启发！大连海事大学，首篇Nature Sustainability

受蓝藻启发！大连海事大学，首篇Nature Sustainability
高分子科学前沿 2026-11-08 05:40:46

受蓝藻启发！光催化与界面蒸发协同，实现高浓度绿色制氨！

氨不仅是化肥生产的重要原料，也是极具潜力的储氢载体，全球每年需求量约1.8亿吨。然而，传统工业合成氨依赖高温高压条件，能耗大、碳排放高。利用太阳光将空气中的氮气和水转化为氨，被视为更可持续的替代路径，但光催化固氮一直面临三道难关：氮气在水中溶解度低，难以及时到达催化位点；反应所需的活性氢供应不足；生成的氨又容易滞留在催化剂表面，抑制后续反应。即使成功制氨，得到的往往也是低浓度氨水，后续富集分离仍需付出额外代价。

今日，大连海事大学范新飞副教授联合大连理工大学刘艳明教授从蓝藻漂浮固氮的方式获得启发，将光催化氮还原与太阳能界面蒸发结合，构筑兼具光催化和光热功能的气—固—液三相界面，让“合成氨”与“分离氨”同步进行。在1 kW m⁻²模拟太阳光下，收集的冷凝液氨浓度达到2462.38 μmol L⁻¹，为传统光催化体系的5.43—6.27倍，氨产品纯度达99.8%，并展示了用于芸薹植物生长的潜力。相关成果以“Photocatalytic nitrogen reduction to high-concentration ammonia via interfacial evaporation”为题发表在《Nature Sustainability》上，Bowen Lv为第一作者。

这一构想首先来自自然界。蓝藻可以漂浮在水面，一边吸收阳光，一边利用周围氮气参与固氮。研究人员据此设计了光催化氮还原—太阳能界面蒸发体系，使催化活性位点同时接触周围气体中的氮气和下方供给的水，而不再完全浸没在液体中（图1a）。分子动力学模拟发现，新体系中聚集在界面处的氮气约占体系总氮气量的44.5%，传统液相体系仅约0.5%（图1b）。与此同时，生成的氨更倾向于离开催化表面，其中约58.5%进入气相，随后随水蒸气冷凝收集（图1c）。如此一来，反应物更容易“进来”，产物也能及时“出去”。

图1：仿生PNRR–SDIE体系设计，以及氮气富集和氨迁移的分子动力学模拟。

怎样把这种设想变成真正可用的材料？团队先通过静电纺丝制备碳纳米管/聚丙烯腈（CNTs@PAN）纳米纤维膜，再通过水热反应在纤维表面生长溴氧化铋（BiOBr，简称BOB）微花，形成BOB/CP复合界面（图2a）。电镜图像显示，原本交错的纤维表面被微花状催化组分覆盖，相关元素均匀分布（图2b—d）。其中，BOB负责吸收光能、产生光生载流子并催化氮气还原，碳纳米管则像“集热器”，负责吸收太阳光并将其转化为局部热量。材料之所以能够发挥作用，离不开光催化与光热效应的配合。电子顺磁共振和能带分析表明，BOB具有有利于固氮的氧空位及能带结构（图2e、f）。BOB/CP在宽光谱范围内的平均吸光能力约为84.6%（图2g）；在1 kW m⁻²光照下，其表面温度由20.7 ℃在5分钟内升至37.9 ℃，约20分钟后稳定在41.3 ℃（图2h、i）。相应水蒸发速率达到1.72 kg m⁻² h⁻¹，而纯水只有0.36 kg m⁻² h⁻¹（图2j）。这意味着界面不仅能让催化剂工作，还能利用局部热量推动产物迁移。

图2： BOB/CP纳米纤维膜的制备、形貌、能带、光吸收和光热蒸发表征。

材料真正的价值，最终还要看能生成多少氨。测试发现，优化后的BOB/CP体系在冷凝液中获得2462.38 μmol L⁻¹的氨浓度，是反应器主体水相的4.88倍（图3a）。如果去掉碳纳米管，只保留BOB/PAN结构，冷凝液氨浓度便降至632.64 μmol L⁻¹；单独加热也几乎不能生成氨，说明光催化负责“造氨”，光热效应则显著强化了反应和富集过程（图3b、c）。更关键的是，这些氨究竟来自哪里？研究团队采用¹⁵N₂同位素标记实验，在冷凝液和主体水相中均检测到对应的¹⁵NH₄⁺信号，证实氨确实由输入氮气转化而来（图3d）。冷凝液中氨纯度达到99.8%，相关副产物受到有效抑制（图3e）。提高光照强度后，2 kW m⁻²条件下冷凝液氨浓度进一步达到4293.41 μmol L⁻¹，是主体水相的7.01倍（图3f）。与多种传统三相光催化装置以及已有研究比较，这一体系在氨合成与富集方面均展现优势（图3g—i）。不过，其太阳能转氨效率为0.110%—0.125%，意味着后续仍有明显的效率提升空间。

图3：不同体系的产氨性能、同位素来源验证、纯度及与已有研究的比较。

为什么将蒸发与催化结合，会带来如此明显的提升？对照实验显示，在黑暗环境、缺少BOB催化剂或以氩气代替氮气时，产氨量大幅降低，证明光照、催化位点和氮气缺一不可（图4a）。温度测试进一步发现，漂浮式三相界面能减少热量向主体水相散失，维持更高的局部温度（图4b、c）。随着光照增强，预先吸附的氨更容易从界面脱附并进入冷凝液；提高外部温度也得到相同趋势（图4d、e）。因此，蒸发并非简单地把水变成蒸汽，还在不断清理催化表面，为后续固氮腾出位置。

微观机理研究揭示了更深层的原因。循环伏安和电子顺磁共振结果表明，界面光热效应有利于水参与形成活性氢（H），而这些活性氢在氮气存在时被快速消耗，用于后续加氢反应（图4f—h）。实验测得体系的表观活化能为40.7 kJ mol⁻¹。理论计算进一步指出，局部升温使水解离形成活性氢更容易进行，氮气还原主要沿交替加氢路径发生，其中吸附态氮气转化为NNH是关键限速步骤（图4i、j）。综合来看，三相界面改善氮气供给，局部升温促进活性氢生成与反应动力学，蒸发则加快氨脱附，三者形成持续协同的工作循环（图4k）。

图4：三相界面、局部升温、活性氢供应和氨脱附协同促进固氮的机理。

实验室中的高浓度产氨能否走向实际应用？团队首先在空气及大连星海湖天然水条件下检测到产氨，并对装置进行7天循环测试：每天光照6小时、暗置18小时，冷凝液氨浓度始终高于1595.62 μmol L⁻¹（图5a），蒸发性能也基本保持稳定（图5b）。研究人员进一步将生成的冷凝液用于芸薹种植。相比普通水灌溉，冷凝液处理使种子更早萌发，植株高度、叶面积等生长指标也有所改善；第22天的植株更加茂盛（图5c、d）。不过，论文同样指出，氨浓度过高可能抑制种子萌发，因此合理控制施用浓度十分重要。

除了促进植物生长，研究团队还通过初步生命周期评价审视其环境表现（图5e）。在所设定的比较条件下，新体系的全球变暖潜势约为传统路线的18.9%，化石资源稀缺性指标约为市场采购路线的13.8%，体现出潜在减排优势。需要注意的是，实验装置仍使用外部真空泵和冷凝设备，未来能否大规模运行，还取决于光照利用、设备能耗、长期稳定性及实际成本的进一步优化。

图5：连续运行稳定性、芸薹种植效果及制氨路线的生命周期环境评价。

小结

总体而言，这项研究的亮点并不只是找到一种新的固氮催化剂，而是重新安排了“反应”和“分离”的关系：借助漂浮式纳米纤维界面，让太阳光同时推动氮气活化、局部加热与氨的及时转移，从而缓解传统光催化固氮中供料慢、产物积累和浓度低等难题。随着连续化装置和能源管理进一步完善，这种仿生光催化—界面蒸发策略有望为分布式绿色制氨、农业施肥及其他太阳能驱动的化学合成提供新思路。

发布时间：2026-11-07 11:51:20

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