在低温、低压条件下能够无能量损失合成氨的高性能催化剂已经被开发出来。利用可再生能源制氢是生产环保能源和化学品的核心技术，其中以氨形式储存氢气的研究正在全球范围内广泛开展。鉴于此，本次研究成果有望为今后构建适合环保氢经济体系的氨生产与利用作出贡献。
韩国科学技术院（KAIST）11日表示，生物化学工程系研究团队在Park Minki教授带领下，开发出一种既可降低能耗与二氧化碳排放量，又能提高氨生产率的催化剂系统。
在生产氨的过程中，利用铁（Fe）基催化剂的“哈柏–博施法”技术已被使用逾100年。然而，该工艺需要500摄氏度以上的高温和100个大气压以上的高压，消耗巨量能源，且在生产过程中排放大量二氧化碳。此外，由于以这种方式生产的氨主要在大型工厂集中制造，其流通成本也相当可观。
作为解决上述问题的替代方案，近来人们将目光投向一种环保工艺：利用通过“水电解”技术（用电分解水）生产的绿色氢气，在低温、低压（300摄氏度、10个大气压）条件下合成氨。但要实现这一工艺，必须开发出在较低温度和压力下仍能保持高氨生产率的催化剂，而以现有技术，在同等条件下氨的生产率存在明显不足。
为此，研究团队将具有强碱性的氧化钡（BaO）颗粒与钌（Ru）催化剂一起负载到导电性能优异的碳表面，开发出一种如同“化学电容器（chemical capacitor）”般运作的新概念催化剂。电容器是将电能分别以正（+）电荷和负（-）电荷形式储存的装置。
研究团队开发的该催化剂在氨合成反应过程中，首先将氢分子（H2）在钌催化剂表面分解为氢原子（H），再将这些氢原子进一步分解为质子（H+）与电子（e-）对。在此过程中，呈酸性的质子储存在具有强碱性的氧化钡中，而剩余电子则分别储存在钌和碳上，这一点已得到证实。
研究团队解释称，正是由于这一特殊的化学蓄电现象，电子变得极为丰富的钌催化剂会促进氨合成反应核心步骤——氮分子（N2）解离过程，从而使催化活性得到飞跃式提升。
尤其是，研究团队在研究中通过调控碳的纳米结构，证实了可以最大化钌的电子密度，从而进一步提高催化活性。结果表明，在300摄氏度、10个大气压这一温和条件下，该催化剂展现出的氨合成性能比现有最高水平的催化剂高出7倍以上。
Park Minki KAIST教授表示：“本研究表明，即便在非电化学的一般热化学催化反应过程中，只要调控催化剂内部的电子迁移，也能显著提升催化活性，因此备受学界关注。利用本研究团队开发的催化剂，即使在低温、低压条件下也能高效合成氨，这一点已得到验证，这将有望实现更加灵活的氨生产和利用方式，以适配环保氢经济体系。”
此外，本研究在韩国能源技术研究院和韩国研究财团的支持下开展。生物化学工程系Park Minki教授担任通讯作者，博士课程学生Baek Yejun担任第一作者。相关研究成果已于上月24日发表于催化化学领域国际学术期刊《自然·催化》（Nature Catalysis）。
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