问题—— 绿氨作为绿色氢能的重要储运载体，燃烧产物主要为氮气和水，能源低碳转型中具有广阔应用前景；我国正推进能源结构调整，探索绿氨掺烧等应用场景。然而，目前合成氨工业仍主要依赖传统的哈伯—博施法，该工艺需在高温高压下进行，存在设备投资大、能耗高等问题。对以可再生能源制氢为基础的绿氨来说，工艺刚性和成本压力叠加，成为产业化推广的主要障碍。 原因—— 降低绿氨成本、提高效率的关键在于推动合成氨工艺从“高温高压、集中式”向“温和条件、可灵活启停”转变，而高性能催化材料是核心突破口。传统催化剂对氮分子的活化能力有限，往往需要更苛刻的反应条件。如何在较低温度和压力下高效捕获、活化氮气，并提升氢化转化效率和选择性，是新一代工艺面临的技术瓶颈。 影响—— 北京大学化学与分子工程学院沈兴海教授团队的最新研究为解决这个问题提供了新思路。研究团队利用具有独特共轭结构的二维碳材料石墨炔作为载体，将贫铀以微小团簇形式分散其上，构建出铀-石墨炔复合催化剂。研究发现，相邻铀原子的间距与氮分子尺寸匹配，使氮气更容易以“桥式吸附”方式被捕获和活化，从而提升转化效率；同时，铀的5f电子与石墨炔的共轭体系形成特殊电子相互作用，有助于降低反应能垒，促进氨的生成与脱附，实现更高的选择性和更高效的反应路径。 实验结果显示，该催化剂在150摄氏度、15个大气压条件下表现出较高的产氨速率（587.5微摩尔每克每小时），并具有良好的循环稳定性。研究还探索了以超临界二氧化碳为介质的石墨炔可控合成路径，实现了单层与少层材料的制备，并分析了层数与光学带隙的变化规律，为后续催化性能调控提供了依据。对应的成果发表于《自然·通讯》。 此外，这项研究也为贫铀等锕系元素在催化领域的应用开辟了新方向。长期以来，铀的研究主要集中在核燃料领域，其在催化化学中的潜力尚未充分挖掘。该研究表明，在满足安全和环保要求的前提下，核工业副产资源可通过新材料技术实现高值化利用，为相关产业链拓展新的应用场景。 对策—— 为实现实际应用，业内认为仍需在以下上持续推进：一是加强机理研究和结构设计，提高单位能耗下的产氨效率，并评估其在波动电力和间歇制氢条件下的适应性；二是开展工程放大和寿命评估，围绕催化剂成型、传质传热、连续化运行等关键环节形成可复制的技术方案；三是完善全生命周期安全和合规体系，针对含铀材料在制备、使用和回收处置等环节建立标准化管理和风险评估框架，确保技术进步与安全底线并重。 前景—— 随着可再生能源装机规模扩大和电力系统灵活性需求提升，分布式、可灵活启停的合成氨工艺需求日益增长。若温和条件下的高效合成氨技术能够实现“能耗降低—设备简化—成本可控”的协同效应，绿氨有望在煤电掺烧、航运燃料和化工原料绿色替代等领域加速示范应用。同时，核工业副产资源的材料化利用也可能成为新的增长点，推动跨学科、跨产业的技术融合与协同发展。
从核工业副产物到绿色能源催化剂，这项研究生动展示了科技创新对资源循环利用和产业升级的推动作用；在全球能源格局深刻变革的背景下，中国科研人员通过原创性突破再次证明：关键技术的突破往往源于对基础研究的深耕和对学科交叉的前瞻布局。这不仅为“双碳”目标提供了新的技术路径，也为全球绿色转型贡献了中国智慧。