永冈克俊教授
化学系统工程系
工学研究科
名古屋大学
20 世纪初开发的哈伯-博施工艺 *1 借助催化剂 *2 技术实现了氨的工业化生产。氨在我们的日常生活中扮演着不可或缺的角色，既是粮食生产必需肥料的核心成分，也是纺织原料和药品的组成部分。近年来，随着脱碳社会建设进程加速，氨作为一种燃烧时不排放二氧化碳的下一代能源，以及作为氢能运输载体，正受到越来越多的关注。
我们采访了名古屋大学研究生院工学研究科化学系统工程系的永冈克俊教授，他主要从事氨合成与分解的相关研究。特别值得一提的是，他的研究致力于开发创新性氨合成方法，旨在超越传统的哈伯-博施工艺。
毫不夸张地说，没有催化剂，现代生活将难以想象。20 世纪初哈伯-博世法的问世成为工业化学的转折点，实现了氨的大规模合成。这一突破使得氮基化肥的批量生产成为可能，助力化解全球粮食危机。如今，源自哈伯-博世法的催化剂技术已广泛应用于环境治理、能源开发和高端制造等诸多领域。
催化剂是化不可能为可能的物质。例如将氧气和氢气以 2:1 比例置于密封烧杯中，混合物自身不会发生反应。但若向其中加入铂纳米颗粒，就会引发爆炸性反应生成水。燃料电池正是运用这一原理，通过仅排放水而不释放二氧化碳 2 或空气污染物来产生清洁能源。
在我的实验室里，我们专注于氨的催化剂研究。我们设计能同时促进氨分解与合成的材料组合，甚至从零开始创造催化剂。元素周期表中约 120 种元素里，约有 60 种（不包括放射性物质、有害物质及稀有气体）适合催化应用。我们通常会在单一催化剂中使用 5 至 10 种元素的组合。催化剂设计的关键在于确保材料在目标反应条件下保持稳定。
合成单一催化剂通常需要两到四天时间。例如，将硝酸钴或其他钴盐/配合物溶解于溶剂中，并与作为载体的氧化镁（MgO）混合时，MgO 表面含有能锚定钴的强吸附位点。蒸发溶剂后，将混合物在约 500°C 下热处理以去除硝酸及其他硝酸盐，催化剂即制备完成。最初制得的催化剂呈粉末状，随后会根据目标应用场景成型为适当尺寸的颗粒。在流速较低的实验室规模下，颗粒直径范围为 250 至 500 微米；而在需要更高气体处理量的工业规模装置中，催化剂颗粒直径会控制在毫米至厘米级以确保气体流通。
上世纪 90 年代我开始研究催化剂时，全球主流方向是围绕城市燃气和天然气的主要成分甲烷（CH₄）展开反应。我最初的研究课题是将两个 CH₄分子结合生成乙烯（聚乙烯的原料）。当该项目取得实质性研究成果后，我向实验室教授咨询新的研究方向。于是，教授给了我一个实验室从未涉足的课题：让甲烷与二氧化碳（CO₂）发生反应。这进而催生了通过甲烷与 CO₂或水蒸气（H₂O）反应生成一氧化碳（CO）和氢气的研究——换句话说，就是从化石资源中制取氢气。当时氢气本身并非研究重点，思路是以 CO 和氢气为原料合成多种有用化合物。但正当我开展这项研究时，燃料电池开始引起社会关注，这促使我将研究方向更聚焦于制氢领域。
2008 年，一家公司向我提出了一个引人入胜的课题：能否通过催化分解法将氨作为氢源使用？这个契机成为了我研究方向的转折点。凭借制氢领域的研究背景，我对此充满信心——尤其我的大学导师正是氨合成领域的专家，这让我对攻克氨分解课题也倍感笃定。加之研究者探索未知领域的本能驱使我最终选择了转向氨能研究。
在公司提供的科研资金支持下，我们搭建了两套试验装置。一年内，实验室的学生们筛选了约 100 种催化剂样本。这种亲身实践让我们对氨分解催化剂有了深刻体会，更重要的是，它让我坚信我们能够成功。
当时新能源产业技术综合开发机构（NEDO ＊3 ）主动联系我们，他们对即时制氢研究表现出浓厚兴趣，这促使我接受了挑战。在研发中运用碳氢化合物时，我们尝试了反常规的思路，最终取得了世界首创的发现。
通过在常用于汽车尾气净化催化剂的氧化铈-氧化锆材料上负载贵金属纳米颗粒，并施加简单的预处理，我们发现常温下引入碳氢化合物和氧气即可产生氢气。这一研究成果与传统认知相去甚远，最初甚至遭到质疑。但通过持续研究，我们成功阐明了反应机理：当催化剂处于还原态时，与氧气接触会触发放热反应，升高温度并启动催化反应。这一发现最终获得了学界认可。
随后，我们被问及是否能用类似方法从氨气和氧气中即时制取氢气，便将碳氢化合物研究法应用于此。通过再次尝试传统认知中"不可行"的测试方法，我们又一次取得了新发现。
我们已知使用氧化铝载体上的钌纳米颗粒催化剂在加热至特定温度时会引发催化反应。此外，若采用铈锆复合氧化物等载体，当催化剂处于还原态时，接触氧气会产生热量、升高温度并启动催化作用。基于这一认知，我们最初认为氧化铝载体未经还原处理时反应不会发生。然而出乎意料的是，使用氧化铝载体进行测试时反应确实发生了，氢气瞬间生成。通过机理研究发现，即便未预先还原，氨气在催化剂表面的吸附也能产生足够热量触发反应。这一发现发表于《科学进展》期刊，并为团队争取到了重要科研经费。
有些障碍仅靠逻辑是无法克服的。这其中当然存在运气成分——但作为研究者，我始终努力避免与他人雷同。我保持着广阔的视野，并始终愿意尝试各种方法。我相信，正是这种勇于尝试——尤其是挑战预期之外事物的意愿，最终带来了突破性发现。
基于自身经验，我鼓励学生们培养挑战既定规范的直觉，珍视创造性见解，并无所畏惧地开展广泛研究。细致的观察和开放的讨论至关重要。事实上，我们追求的许多构想往往源自学生们在多元探索中发现的意外结果。
氨分解效率在 600℃以上时已接近 100%。当前的研究挑战包括简化预处理工艺、使用非贵金属以及在更温和条件下实现反应。从平衡角度看，氨分解在 400℃左右即可实现近 100%的分解率。实际应用中，使用贵金属钌可在 400℃左右完成分解，但若采用非贵金属，反应温度需升至 600-700℃。因此，寻找能降低该温度阈值的材料成为关键课题。为此，我们正探索将催化剂设计与工艺优化相结合的新路径——特别是开发基于非贵金属的催化剂。通过从材料与工艺优化双管齐下，我们致力于拓展更高效、更实用的氨分解技术可能性。
哈伯-博世法合成氨工艺需在 500℃高温和超过 200 巴压力下使氮气合成氨，转化率约为 30%。我们的目标是开发一种在效率和可行性方面超越哈伯-博世法的合成方法，特别是在更温和的温度和压力条件下实现合成。
根据平衡状态与温度关系图显示，氨合成中的氮转化率随温度升高而降低。因此从化学角度而言，合成反应应在较低温度下进行。但哈伯法使用的铁催化剂在低温条件下活性不足，即使在 500℃和 200 巴压力下转化率仅达 30%左右。理论上，在 300-350℃和 50-70 巴条件下即可获得超越哈伯法的氮转化率。我们正持续开展催化剂研发工作，力求实现低温合成氨的这一潜力。
HORIBA 多气体分析仪为合成氨浓度测量提供了极大便利。在引入该设备前，我们需通过硫酸吸收反应并检测电导率来人工测定氨气浓度。更复杂的是，硫酸浓度必须根据合成氨浓度进行调整，整个过程既繁琐又存在安全隐患。我们也尝试过气相色谱法，但谱图拖尾效应导致无法获得理想的测量结果。HORIBA 多气体分析仪的引入使我们能够进行连续、安全的自动化分析，彻底摆脱了费时危险的手工操作流程。如今随着多反应器并行运行以扩大实验规模，该系统已成为我们研究中不可或缺的重要工具。
日本政府已宣布致力于在 2050 年前实现温室气体净零排放，旨在全面构建脱碳社会。作为一种潜在解决方案，氨气正受到极大关注，预计未来几年需求将大幅增长。目前探索的氨燃料利用途径主要有两种：与煤炭混合使用的混燃技术，以及纯氨单独燃烧的专燃技术。据估算，采用 20%混燃比例（80%煤+20%氨）可减少年二氧化碳排放量 4000 万吨；若完全改用纯氨发电，日本发电环节产生的二氧化碳将减半。实现 20%混燃比例需要 2000 万吨氨气，而日本目前产量不足 100 万吨，这意味着至少需要二十倍的产能提升。我们希望通过研发为满足这一增长需求贡献力量。
20 世纪初，哈伯-博世法实现了氨的人工合成，通过氮基化学肥料帮助人类克服了粮食危机。时至今日，我们仍在依赖这项一个多世纪前在地球另一端诞生的突破性技术。作为一名日本研究者，这种对 110 年前技术的持续依赖令人深感沮丧。正因如此，我们实验室正全力以赴研发能够超越哈伯-博世法的下一代催化剂技术。
我相信氨是 21 世纪能帮助人类摆脱气候危机、为未来铺路的关键物质之一。我们计划与产业界开展紧密合作，共同推进研发工作，为现实世界提供切实可行的解决方案。
(采访日期：2023 年 6 月)
注：文中提及的所有组织名称、隶属关系及职位信息均以访谈日期为准。
长冈克俊
教授
名古屋大学工学研究科化学系统工程系
职业经历
教育背景
