问题——绿氨被认为是绿氢规模化储运和终端利用的重要载体，燃烧产物主要为氮气和水，被视为能源转型中的潜“零碳”燃料之一。围绕建设清洁低碳、安全高效的能源体系，我国提出了绿氨掺烧等应用设想。但产业端普遍面临一项关键制约：合成氨仍主要依赖沿用百年的哈伯—博施工艺，通常需要高温高压，装置投资、能耗和运行成本较高。在可再生能源电力驱动的“绿氢—绿氨”路径下，高强度工况更推高边际成本，导致绿氨价格明显高于传统化石路线氨，削弱其在发电、工业燃料和化工原料等场景的竞争力，放缓推广速度。 原因——业内普遍认为，要推动绿氨规模化应用并降本增效，关键在于发展更适应可再生能源波动的柔性工艺。其中，高性能催化剂是决定能否在相对温和条件下实现高效率、高选择性合成氨的核心环节：既要有效捕获并活化惰性的氮气分子，又要保证后续加氢转化顺畅，同时还需具备稳定性和可循环使用能力，以满足工业装置长周期运行需求。受材料电子结构与活性位点构筑难度限制，传统催化体系在降低反应门槛上仍有提升空间。 影响——据介绍，北京大学化学与分子工程学院沈兴海教授团队通过跨学科思路，将核工业中相对常见的贫铀与新型二维碳材料石墨炔复合，构建出铀—石墨炔复合催化剂。研究显示，铀以微小团簇形态分散负载石墨炔上，相邻铀原子间距与氮气分子尺度相匹配，使氮分子能够以“桥式吸附”方式被有效捕获并活化，为后续加氢步骤奠定基础。团队还以超临界二氧化碳为介质，探索并筛选反应条件，实现单层及少层石墨炔的可控合成，并厘清层数变化与光学带隙变化规律，为后续基于结构—性能关系精准调控催化性能提供依据。 在性能上，该催化剂150℃、15个大气压的相对温和条件下实现较高产氨速率，并保持良好循环稳定性。机理研究提示，铀的5f电子与石墨炔共轭结构之间的电子相互作用，可促进氮分子的识别与转化，并有利于产物氨分子的脱附释放，从而在提升反应效率的同时保持较高选择性。研究人员认为，这为过去主要用于核燃料体系的铀元素开辟了新的应用方向，也为锕系元素在催化领域的潜力研究提供了可验证的路径。 对策——面向绿氨降本与产业化需求，下一步仍需在“实验室突破”基础上补齐工程化验证链条：一是开展更接近工业条件的长周期稳定性与抗杂质能力评估，明确催化剂在复杂气体组成以及启停、波动工况下的性能边界；二是推进材料规模制备与一致性控制，建立从结构调控到性能评价的标准化方法，降低放大制备带来的波动风险；三是在安全与合规框架下探索贫铀材料的规范化利用路径，形成从原料获取、制备使用到回收处置的闭环管理方案，推动成果在可控、可追溯条件下实现转化；四是加强与电解制氢、合成氨系统的集成研究，围绕柔性运行优化流程，提高可再生能源消纳能力与系统经济性。 前景——随着我国“双碳”目标推进和能源结构加快调整，绿氨在电力系统调峰、煤电低碳替代、航运燃料及化工原料等方向的应用场景有望逐步拓展。此次研究以“核工业副产资源+二维碳材料”的组合方式，为降低合成氨反应门槛提供了新思路，也为材料科学、放射化学与催化科学的交叉研究提供了案例。业内人士指出，若后续在规模化制备、寿命成本与系统集成上取得进一步进展，温和条件合成氨有望成为绿氨产业链降本的重要支点，并带动有关装备与工艺迭代升级。
从核工业副产物到绿色能源转型所需的催化材料，贫铀用途的变化反映了跨领域思路的价值。当前，我国能源低碳转型进入关键阶段，绿氨等新型零碳燃料的产业化既需要政策引导，也离不开基础研究的持续突破。此次成果提示，解决能源转型难题的线索，可能就来自长期被忽视的材料与机理。如何把更多学科积累转化为产业可用的技术与能力，仍需科研界与产业界共同推进。