非平衡空间分布电场中的固氮

把空气变成植物养料

现代农业依赖含氮肥料，而氮是关键成分，通常来自耗能巨大的工业工艺。这项研究探索了一种更清洁的方式，使用电力而非化石燃料直接从空气中“固氮”。通过在小型等离子体反应器中精心塑造电场，研究人员展示了提升固氮效率并减少能量浪费的可能性，这为由可再生电力驱动的更可持续化肥生产指明了方向。

为何需要新的氮路径

当今的肥料大多来自哈伯—博施过程，该过程在极高的温度和压力下将氮气与氢气合成氨。这一百年历史的技术支撑着全球粮食生产，但消耗了约1–2%的全球能源并产生大量碳排放，因为氢通常来自天然气。科学家一直在寻找可在室温和常压下运行、能够直接接入太阳能和风能的替代方案。在这些选项中，利用等离子体——一种充满高能粒子的部分电离气体——用电力驱动氮反应受到了关注，但迄今为止其收率低、能耗高是主要难题。

等离子体气泡与观察反应的新方法

在本研究中，团队使用了一种“等离子体气泡反应器”，空气通过管道注入水中，形成气泡并在其中发生等离子体放电。发光气体中形成的活性氮和氧物种迅速溶解到周围水中，并以硝酸盐和亚硝酸盐的形式被捕获，随后可进一步加工成化肥。一个主要障碍是此类等离子体中的反应网络极其复杂、难以实时探测。为此，研究人员开发了一种空心光纤光学探针，能够直接置入恶劣的等离子体与液相环境中。利用称为光热光谱的技术，他们可以连续测量由一氧化氮、二氧化氮、笑气、臭氧、硝酸盐和亚硝酸盐等关键分子和离子在气相与水相中引起的微小光信号变化，灵敏度高且实现秒级分辨率。

荧光中隐藏的两条有利反应途径

有了这个原位“之眼”，团队比较了两种常见的等离子体模式：电场较弱但气体较热的火花放电，以及电场更强但气体更冷的介电阻挡放电。他们发现每种模式各自倾向于不同的有益反应路径。在较低电场的火花中，电子主要将能量注入氮分子的振动激发态，这有助于打破非常强的氮–氮键并生成一氧化氮。在较高电场的介电放电中，电子优先裂解氧分子，产生大量氧原子和臭氧。臭氧易溶于水并作为强氧化剂，能帮助将一氧化氮和亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐，即溶液中的最终固定氮产物。耦合的等离子体与液相化学数值模拟证实了这两条路径——振动激发氮和臭氧驱动的氧化——协同作用以提高整体固氮效率。

设计“恰到好处”电场的反应器

这些洞见促使作者提出一个简单但强大的想法：不是在低场和高场之间做二选一，而是在不同区域同时拥有两者。他们通过用沿长度变化厚度的介电管包裹中央电极来实现这种“空间分布电场”策略。较薄的部分形成更窄的间隙和更高的局部电场，适合通过裂解氧分子产生臭氧；而较厚的部分则降低电场，有利于氮的振动激发。等离子体自然填充这些交替区域，因此两条有利反应网络同时运行。测量结果显示，与传统的均匀电场放电相比，这种设计增加了气相中氮氧化物的生成并提高了水相中硝酸盐的浓度。

性能提升与更广泛的潜力

在优化电压和气体流量后，新反应器实现了每小时9.8毫摩尔的氮氧化物产率，固定氮的能耗约为每摩尔1.6千瓦时。该产率大约是处于相似条件下的标准介电阻挡放电的三倍，同时保持了对硝酸盐的高选择性。与其他等离子体和电化学固氮方法相比，空间分布电场概念在相当或更低能耗下实现了明显更高的氮转化率，并且较之典型电化学系统转换率远高，尽管能耗仍然更高。由于该反应器在常温常压下运行且可直接由电力驱动，它对连接可再生电网的小型分布式化肥生产单元特别有前景。

这对更清洁化肥意味着什么

本质上，研究表明通过精心雕塑等离子体反应器内部的电场，工程师可以“调谐”不可见的反应网络，以更低能耗获得更多有用的氮产物。通过将高效活化氮的区域与强烈氧化并在水中捕获氮的区域相结合，空间分布电场设计克服了等离子体固氮长期存在的一些瓶颈。除化肥外，该原理——使用非均匀电场引导复杂的等离子体化学——还可能有助于改善其他绿色工艺，例如二氧化碳转化、甲烷制氢以及塑料的化学回收。

引用: Guo, S., Wang, Y., Guo, Y. et al. Nitrogen fixation in a non-equilibrium spatially distributed electric field. Nat Commun 17, 3680 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70272-y

关键词: 等离子体固氮, 绿色化肥, 空间分布电场, 臭氧辅助氧化, 可再生氨替代方案