赵宇飞、白晓觉团队在《Angew》发表空气和水制氮肥直供植物生长成果

近日，我院赵宇飞、白晓觉团队在绿色氮肥合成领域取得重要进展。针对传统硝酸铵生产依赖高能耗Haber-Bosch合成氨与Ostwald氧化工艺，以及现有空气固氮路线难以兼顾高效氮活化、低能耗电化学转化和植物直供应用等问题，研究团队提出了一种“等离子体活化—成对电解”过程耦合策略，实现了由空气和水直接制备硝酸铵液态肥料，并进一步验证了其直接用于植物生长的可行性。相关成果以“Sustainable Synthesis of Ammonium Nitrate From Air and Water via Tandem Plasma-Electrolyzer System”为题，发表在《Angewandte Chemie International Edition》上。北京化工大学孙秋红为本文第一作者，白晓觉、赵宇飞为通讯作者，北京化工大学为第一完成单位。

研究背景：

硝酸铵（NH₄NO₃）是重要的高氮肥料，但传统生产依赖高能耗的Haber-Bosch合成氨与Ostwald氧化工艺，带来显著能源消耗和碳排放，且传统施肥模式不符合植物生长规律，到来温室气体排放以及土壤酸化等问题。因此，利用空气、水和可再生电力在温和条件下直接制备硝酸铵，匹配植物生长规律，是绿色氮肥合成的重要方向。

现有光、电催化路线转化空气，存在效率低下，不能匹配规模植物生长所需氮肥。利用等离子体固氮-电催化路线通常先将空气转化为NO_x，再经吸收和电化学转化获得克级氮肥，为农场端就地制肥提供了可能。然而，该路线仍面临碱性吸收流程复杂、NO₃⁻→NO₂⁻转化缓慢和阳极析氧能耗较高等限制。如何重新匹配前端等离子体产物与后端电化学反应，使两个过程在物料和能量上高效衔接，并持续输出可直接用于植物生长的液态氮肥，是实现分布式空气制肥和按需精准施肥的关键。

本文亮点：

1. 等离子体活化-成对电解过程耦合

前端等离子体将空气转化为以NO₂⁻为主的含氮溶液；后端以阴极NO₂⁻还原生成NH₄⁺、阳极NO₂⁻氧化生成NO₃⁻。该设计绕过缓慢的NO₃⁻→NO₂⁻步骤，并以NO₂⁻氧化替代传统析氧反应，使阴、阳两极均用于目标含氮产物合成。

2. 连续运行与肥料应用验证系统可行性

等离子体-成对电解集成系统在400 mA cm⁻²下稳定运行超过210 h，单模块NH₄NO₃产率达到8.5 mmol h⁻¹。所得电解液可直接作为N-P-K肥料促进植物生长，验证了从空气固氮、硝酸铵合成到农业利用的闭环潜力。

图文解析：

图1. 硝酸铵合成路线对比及本工作提出的pNOR-eNO₂⁻RR/eNO₂⁻OR串联系统。

图1系统比较了四类硝酸铵合成路径。传统哈伯-博施/奥斯特瓦尔德流程依赖高温高压和化石能源；直接电化学N₂还原/氧化受限于较低的N₂转化率和法拉第效率；以废水NO₃⁻为原料的路线则面临原料浓度低和前处理成本高等问题。

本工作采用点放电等离子体首先将空气中的N₂转化为NOₓ，并在0.5 M磷酸盐缓冲液中获得NO₂⁻溶液；随后，阴极进行eNO₂⁻RR生成NH₄⁺，阳极进行eNO₂⁻OR生成NO₃⁻。该设计既绕开了缓慢的NO₃⁻→NO₂⁻还原步骤，也避免以高过电位析氧反应作为阳极过程，从系统层面提高了含氮原子的利用效率。

图2. pNOR-eNO₂⁻RR/eNO₂⁻OR连续流系统的性能、长期运行、植物生长和技术经济分析。

在优化阴极催化剂后，以NO₂⁻氧化反应替代传统阳极析氧，使阴极和阳极分别生成NH₄⁺与NO₃⁻。流动电解槽在400 mA cm⁻²下仍实现超过90%的NH₄⁺法拉第效率，NH₄⁺和NO₃⁻产率分别达到9.4和10.9 mmol h⁻¹。

进一步耦合点放电等离子体与连续流电解槽后，pNOR-eNO₂⁻RR/eNO₂⁻OR体系可稳定运行超过210 h，获得约500 mM NH₄NO₃溶液，单模块产率为8.5 mmol h⁻¹。技术经济分析表明，该路线通过简化工艺、降低电解能耗、提高两极产物价值，并减少集中制肥所需的运输和储存成本，展现出良好的经济竞争力。所得电解液可直接作为N-P-K肥料促进植物生长，展现出从空气固氮到肥料利用的闭环潜力及良好的技术经济性。

总结与展望：

本工作的最大亮点提出了利用可再生电能驱动的“等离子体活化-成对电解”过程耦合策略。该策略使前端空气固氮产物与后端双电极反应直接匹配，在阴、阳两极同步生成NH₄⁺和NO₃⁻，实现空气和水到硝酸铵液体肥料的直接转化，获得了连续流电解、210 h稳定性、植物生长实验和技术经济分析则进一步验证了该耦合策略的可行性。该系统具有模块化和分布式部署潜力，可在农场端就地制备液态氮肥，并根据作物生长阶段和养分吸收需求进行按需供给，减少集中制肥、运输和储存环节。未来，通过接入太阳能光伏发电，有望构建由可再生能源驱动的“空气—水—氮肥—植物生长”一体化系统，为智慧农业中的精准施肥和低碳氮素管理提供新路径。

课题组介绍：

白晓觉副教授：硕士研究生导师，主要研究方向为金属有机框架材料的可控合成与催化应用。迄今主持国家自然科学基金-青年科学基金项目、中国科学院-特别研究助理项目，并参与中国科学院战略重点研究项目及国家重点研发项目，在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., J. Mater. Chem. A, J. Mater. Chem. C, Chem. Commun.等期刊发表文章30余篇，被引1000余次，并授权专利6项。

赵宇飞教授：北京化工大学教授、博士生导师。科技部重点研发计划青年科学家项目首席、国家自然科学基金委重点项目负责人、优秀青年基金获得者、中国科协青年人才托举工程入选者、2019-2024年连续六年科睿唯安全球高被引学者；2021-2024年爱思唯尔中国高被引学者（化学工程与技术）；入选美国斯坦福大学全球前2%顶尖科学家“终身科学影响力排行榜”和“年度科学影响力排行榜”以及ScholarGPS 2024年全球前0.05%顶尖科学家近五年榜单。目前从事水滑石基纳米材料的可控合成及其在矿化和催化方面的研究。迄今主持国家自然科学青年基金1项、面上项目2项、国际（地区）合作交流项目2项，专项项目1项、优秀青年基金1项、重点项目1项、科技部重点研发计划青年科学家项目1项、人社部国家外国专家项目1项、北京市自然科学基金面上项目1项，以及企业项目5项；迄今共发表 SCI论文120余篇，总引27000余次，H-index 82。其中以第一/通讯作者在Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、Joule以及化工领域期刊AIChE J、Chem. Eng. Sci.、Ind. Eng. Chem. Res.、Chem. Eng. J.等 SCI期刊上发表论文 80余篇，已授权国家发明专利24项。作为共同主编出版 RSC英文专著一部；获得2024年“Wiley威立中国高贡献作者”、入选美国化学会2023 Ind. Eng. Chem. Res.“有影响力研究者”、获得2022年石油化学工业联合会科技进步二等奖、2021中国感光学会特等奖。现任《燃料化学学报》副主编、《物理化学学报》、Trans. Tianjin Univ.、SmartMat、《洁净煤技术》编委/青年编委，北京化工大学资源化学研究所书记。

论文信息

标题：Sustainable Synthesis of Ammonium Nitrate From Air and Water via Tandem Plasma-Electrolyzer System

第一作者：孙秋红

通讯作者：白晓觉、赵宇飞

通讯单位：北京化工大学

论文DOI：https://doi.org/10.1002/anie.3006166