在探索更为环保和可持续的化学生产方式上，科学家们正开辟一条前所未有的路径——利用地球深处的岩石来制造化学品。这一革命性的理念不仅挑战了传统的化学工业模式，还预示着未来化学生产可能迎来颠覆性的变革。
近日，一项发表在Joule期刊上的新研究发现，氨这种广泛应用于肥料和被视为潜在绿色燃料的化学品，可以在地下常见的温度和压力条件下通过岩石生成。这一发现迅速引起了业界的关注，尤其是MIT Technology Review独家报道的一家名为Addis Energy的初创公司，该公司正计划将这一创新工艺商业化。
氨作为现代农业和食品体系的重要组成部分，其生产过程却耗费大量能源并排放温室气体。据统计，全球氨生产的温室气体排放量超过总量的1%，是气候变化的主要推手之一。因此，寻找更为环保的氨生产方式显得尤为重要。最新研究表明，地球深处的自然条件或许能提供一种更为绿色、可持续的解决方案。
麻省理工学院教授Iwnetim Abate是这项研究的共同通讯作者，他表示：“地球本身可以作为生产这种化学物质的反应罐。”这一理念有望彻底改变化学工业的现状，因为目前的化学工业依赖于在极高温度和压力下运行的大型设施来制造氨，这些设施不仅耗能巨大，还对环境造成污染。
生产氨的两个主要原料是氮源和氢源。非营利研究机构Rocky Mountain Institute的负责人Patrick Molloy解释说，目前围绕清洁氨生产方法的研究大多集中在开发新方法来生产氢，因为氢的生产对氨的气候影响起着决定性作用。而地下天然存在的氢气储藏为这一挑战提供了新的解决思路。
然而，氢气的运输一直是个难题。对此，Abate提出了一个更大胆的愿景：直接利用地下自然条件来驱动化学反应，将氢气与氮气转化为氨。他解释说：“随着挖掘深度增加，就能免费获得热能和压力。”为了验证这一工艺的可行性，Abate和他的团队在实验室中设计了一种小型反应器来模拟地下条件。
他们将富含铁的矿物粉碎后，加入硝酸盐（作为氮源）、水（作为氢源）以及催化剂来促进反应。实验结果显示，即使在较低的温度和压力条件下，仅需数小时就能生成氨。如果这一工艺能够实现规模化，研究人员估算，一个井口每天可生产多达40,000公斤的氨。
尽管在高温、高压条件下反应速度更快，但研究团队发现，即使在130°C和略高于两个大气压的条件下，氨的生产依然具备经济可行性。这一温度和压力条件通过现有的钻探技术是可以实现的。然而，要将这一工艺应用于工业场景仍需克服诸多挑战，其中一个关键问题是如何让反应持续进行。在反应过程中，富含铁的岩石表面会逐渐被氧化，进而会阻碍后续的反应。
为了解决这一问题，Abate和他的团队正在研究如何优化岩石层的厚度和组成以延长反应的持续时间并确保生产过程的稳定性。同时，为了将研究成果商业化，Abate与Engine Ventures等投资者共同创立了Addis Energy公司，并获得了425万美元的资金支持。
Addis Energy的目标是扩大研究规模，同时寻找具备生产地下氨所需地质条件的地点。公司首席执行官Michael Alexander表示，该项目的一个重要优势在于，许多所需技术已经广泛用于石油和天然气行业。他说：“包括钻探、开采等都是行业的成熟操作。这是一种嵌套在石油和天然气框架中的全新化学工艺。”
Abate和团队还在进一步完善和细化这种工艺的成本，并深入研究其安全性和可持续性。他指出，尽管氨是一种有毒的工业化学品，但其应用非常广泛，已经具备成熟的储存、运输和处理标准，这为其商业化打下了基础。根据研究人员的初步估算，适用这种新方法生产氨的成本可能达到0.55美元/公斤，虽然比目前使用化石燃料生产氨（约0.4美元/公斤）的成本稍高，但相比其他低排放氨生产技术的成本要低。
研究团队认为，通过进一步优化工艺，例如直接从空气中提取氮，而非依赖硝酸盐，生产成本甚至可能降至0.2美元/公斤。这种创新的氨生产方法对于应对气候变化具有重要意义。加州理工学院教授Karthish Manthiram表示：“作为我们生活中不可或缺的化学物质，氨不仅是农业和食品生产体系的重要成分，还可能成为未来绿色能源的重要组成部分。”
Manthiram还补充说：“这项研究从一开始就把可扩展性考虑在内了，这种利用地球本身作为反应器的构想，正是推动可持续化学生产长期发展的创新思维典范。”尽管Addis Energy将专注于技术的规模化扩大，但Abate和其他研究团队还有大量基础研究要完成，特别是在理解反应的原子层面机制方面，包括深入研究岩石与反应液体之间界面的化学过程。Abate表示，实验室中的成果令人振奋，但这仅仅是第一步。
