合成氨行业降碳的关键技术：电催化合成氨

氨（NH3）既是氮肥、纤维、炸药等产品的原料，还是一种非碳储氢介质、制冷剂流体及清洁燃烧的燃料。在“双碳”目标背景下，开发常温常压下低能耗、低碳排放合成氨技术成为化工行业关注的热点。因而，电催化合成氨技术凭借其低能耗、反应可控和绿色环保等优势得到了业界关注。

电催化合成氨技术简介

电催化合成氨工艺（电催化NRR）是一种采用电能驱动的节能工艺，且原料为绿色环保的H2O和N2。该技术分为电解水制氢-合成氨耦合技术和电催化氮气直接合成氨技术。

电解水制氢-合成氨耦合技术是指利用电解水制绿氢、空分制氮，再经哈伯法合成氨和尿素的方法。该技术避免了传统合成氨工艺中制氢过程大量CO2碳排放（占合成氨过程总排放量的75%），具有较高的技术成熟度，在未来有望取代传统合成氨技术。该工艺的成本与电价及制氢价格密切相关，大规模低成本的制氢技术及可再生电能的普及将极大推进该技术的商业化。

电催化氮气直接转化合成氨技术，利用电能驱动氮气加水直接合成氨，以及利用氮气、CO2加水直接合成尿素。但是，该技术目前仍处于实验室研发阶段，法拉第效率约60%，产氨速率较低，其成功研发对合成氨产业具有划时代的意义。

电催化合成氨的技术优势

（1）H2O替代H2作为氢源，减少了化石燃料的使用，原料无毒无害、来源广泛。

（2）可通过调节工作电位来打破反应的热力学限制。

（3）从热力学上进行理论计算，电催化NRR工艺比H-B工艺节能20%。

（4）反应条件温和，减少能耗，工艺过程的安全性高。

（5）采用电力驱动，可以选择太阳能、风能、地热能等可再生的绿色能源作为电力供应。

（6）工艺装置简单、操作灵活，无须昂贵的基础设施建设，可实现在偏远地区的合成氨工厂建设，实现氨的按需制备和精准制备，灵活性和可调谐性远远超过H-B工艺。

（7）电催化NRR工艺相当于从潮湿的空气中合成氨，是一种低碳的合成方式，与时代需求“碳达峰、碳中和”极为吻合。

电催化合成氨的技术难点

（1）较低的氮气溶解度严重限制了其传质过程。

（2）电催化合成氨面临着热力学和动力学的双重挑战，强烈的析氢竞争反应使其选择性和活性非常低。

（3）氨产率低，法拉第效率（FE）低。

（4）寻找更加适合的催化剂或者提高现有催化剂的活性、选择性以及稳定性。

电催化合成氨技术的发展潜力

电催化合成氨工艺路线近几年已成为研究热点，研究成果不断增多。中国科学院研究团队利用可再生能源产生的电能进行空分制氮和电解水制氢，然后将氮气和氢气交替通入载有氢化物的反应器中合成氨。

专家表示，未来随着电催化合成氨技术日益成熟、成本不断下降，被公认为是一种绿色节能的高效碳减排技术，市场前景广阔。

中国科协科普部

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