製作尿素（urea）的新方法

尿素。圖片來源：維基百科

尿素是很重要的氮肥。全世界產生的氨（ammonia）有八成用來合成尿素，而用來合成氨的哈伯法（the Haber-Bosch process）需要在攝氏五百度下加壓（20 MPa）。

傳統合成尿素的方法是用氨與二氧化碳在攝氏兩百度下加熱。若與哈伯法一起計算，每年全世界為了合成尿素要消耗掉百分之二的能源，過程中還釋放了大量的溫室氣體。

最近中國湖南大學的研究團隊開發了一個新的方法，可以在室溫常壓下，在水裡以氮氣與二氧化碳直接合成尿素。

反應在流動反應器池中進行，池中包含由載有催化劑的碳紙製成的陰極和鎳基陽極。電極由膜隔開，位於裝有碳酸氫鉀水溶液的腔室內。研究人員將氮氣和二氧化碳送通過電池，以使兩種氣體均吸附在催化劑上並反應生成尿素。催化劑則是由二氧化鈦奈米片上的鈀-銅奈米粒子組成。

在催化劑表面，氮氣促進了二氧化碳的還原，生成一氧化碳。然後，一氧化碳與氮氣反應生成一些中間物種。一氧化碳與這些中間體之間的進一步相互作用使氮氣氫化並形成碳-氮鍵，從而產生尿素。

該系統的效率（可衡量生產尿素的電力份額）約為9％。雖然該反應的效率和生產率仍然很低，要使其實用化還有很長的路要走，但是這還是提供了小規模生產尿素的可能性，可以讓更多國家有能力生產它。

尿素在1824年第一次由德國化學家弗里德里希·維勒（Friedrich Wöhler，1800-1882）以氰酸中加入氨水後蒸乾合成出來。當時他並不知道這個化合物是什麼，直到1828年證明了這些白色晶體就是尿素。尿素的人工合成打破了當時人們的一個迷思：有機化合物不能以人工合成。這個反應被認為開啟了有機化學這個領域。

參考文獻：

Nat. Chem. 2020, DOI: 10.1038/s41557-020-0481-9