尋找更清潔的氨生產方式，以電化學技術實現綠色農業革命。

“氨是現代農業的基石，但其生產方式對環境造成了巨大壓力。尋找更清潔、更永續的氨生產方法是當務之急，因為這與全球糧食安全息息相關。”

氨的困境：一場迫在眉睫的綠色革命

氨在現代農業中扮演著舉足輕重的角色，主要作為肥料使用。然而，當前氨的生產主要依賴高耗能的哈柏-博世法（Haber-Bosch process），這個製程造成了全球二氧化碳排放量約 1.4%。因此，尋找更清潔、更永續的氨生產方法至關重要，畢竟這關乎全球的糧食安全。
哈柏-博世法雖然對糧食生產貢獻卓著，但其高溫高壓的反應條件導致大量的能源消耗以及碳排放。回顧歷史，20 世紀初，德國科學家弗里茨·哈柏（Fritz Haber）發明了此方法，將空氣中的氮氣轉化為氨，解決了當時的糧食危機。然而，隨著全球人口不斷增長，對氨的需求也隨之攀升，哈柏-博世法的環境代價也日益凸顯。面對日益嚴峻的氣候變遷，學者和研究人員正積極尋找替代方案，期望能擺脫對傳統方法的依賴。

電化學硝酸鹽還原：一線曙光

東京都市大學的研究團隊正在探索電化學硝酸鹽還原反應（electrochemical nitrate reduction reaction），作為一種潛在的低溫低壓替代方案。此方法旨在利用電極和外加電壓，將硝酸鹽轉化為氨，提供更環保的途徑。

教授天野史明表示：「我們專注於電化學硝酸鹽還原反應，這是一種新興方法，可以在室溫和常壓下利用硝酸鹽生產氨。」

相較於哈柏-博世法，電化學硝酸鹽還原反應在較溫和的條件下進行，有潛力大幅降低能源消耗和相關排放。這項技術的發展，為氨生產帶來了革命性的可能性，有望在不犧牲環境的前提下，滿足全球對肥料的需求。

氧化銅催化劑：揭開金屬銅的隱藏角色

研究團隊發現，在使用氧化銅催化劑進行電化學硝酸鹽還原反應時，所形成的金屬銅顆粒在將亞硝酸根離子轉化為氨的過程中，扮演著至關重要的角色。這項發現得益於先進的測量技術，例如操作型X射線吸收光譜法（operando X-ray absorption）。
研究人員利用操作型 X 射線吸收光譜法，觀察氧化銅催化劑在反應過程中的電子行為和結構變化，從而深入了解反應機制。此技術如同偵探一般，幫助研究人員揭開了金屬銅在催化反應中的秘密。研究確定，金屬銅有助於將氫添加到亞硝酸根離子，進而促成氨的形成。

表面鈍化：影響催化劑效能的關鍵

研究同時揭示，在正電壓下，硝酸根離子會「鈍化」（passivate）氧化銅催化劑的表面，阻礙其轉化為金屬銅，反而導致亞硝酸根離子的形成。理解這種鈍化效應對於優化催化劑效能至關重要。
表面鈍化現象突顯了影響催化活性的複雜因素，以及精確控制反應條件的必要性。這就像在烹飪時，火候和調味料的比例必須恰到好處，才能呈現出美味佳餚。催化劑的表面狀態直接影響其催化活性，因此，必須深入了解並控制表面鈍化現象，才能提升氨的產量。

從亞硝酸鹽到氨：銅的連結

金屬銅的形成與氨產量的急劇增加直接相關。金屬銅作為活性位點，將氫添加到亞硝酸根離子，從而促進其轉化為氨。

「當金屬銅顆粒出現時，氨的產量同時增加，銅-銅鍵的數量也大幅躍升，證實了此一關聯性。」

這個步驟對於理解整體反應途徑，以及設計更高效的催化劑至關重要。可以將金屬銅想像成一座橋樑，連接了亞硝酸鹽和氨，促成了化學反應的發生。

綠色氨催化劑設計的啟示

這些發現為設計新一代電化學催化劑，以及優化綠色氨生產方法提供了寶貴的見解。對表面鈍化和金屬銅作用的理解，為提高催化劑效率和整體製程的永續性開闢了新途徑。
這項研究為開發更有效且環境友善的氨生產方法奠定了基礎，有助於實現更永續的農業未來。相關研究成果發表在《Journal of the American Chemical Society》上，讀者可通過搜尋期刊名稱及 “Electrochemical Nitrate Reduction” 等關鍵字找到原始文獻。