氨作为一种基础化学品，在现代社会中既是维持全球粮食安全的化肥原料，也被视为未来清洁能源体系中极具潜力的氢能载体。然而，传统的氨合成技术高度依赖化石能源，并伴随着巨大的能耗和显著的碳排放。

在此背景下，电催化合成与裂解氨的技术路径应运而生。它利用电能驱动反应，条件温和，并能与太阳能、风能等可再生能源直接耦合，为氨的绿色生产与高效利用提供了新的可能性。然而，这条新兴路径在效率、稳定性与规模化方面仍面临诸多挑战。

因此，系统性地梳理与比较这两种技术路线的原理、进展与瓶颈，对于厘清未来发展方向至关重要。新加坡科技研究局高加俭团队近期发表于Green Energy & Environment期刊的综述文章Ammonia Synthesis and Cracking: Thermocatalytic versus Electrochemical Approaches，概述了热催化与电催化在氨合成与裂解领域的竞争与互补关系，探讨其技术内核、当前局限与融合潜力，从而展望氨在构建低碳能源系统中所可能开启的未来。

1. 热催化：成熟可靠，但能耗较高

热催化法以已应用百年的Haber-Bosch 工艺为代表。该过程在高温高压的严苛条件下，借助金属催化剂将氮气和氢气转化为氨。这项技术的优势在于其极高的成熟度与可靠性，支撑着全球庞大的氨生产规模。然而，其缺点也同样突出：过程能耗巨大，并严重依赖化石燃料制氢，因而伴随着显著的碳排放。从热力学角度看，该工艺在追求反应速率与平衡产率之间存在固有矛盾，这是其高能耗的根源之一。图1展示了氨合成反应受温度和压力影响的平衡特性，揭示了工业操作中不得不做出的妥协。

图1展示了热催化合成氨的热力学特性：低温高压有利于反应进行，但工业上为提高反应速率，常在较高温度下操作，导致单程转化率受限，需要复杂的物料循环，这是其能耗高的重要原因之一。

图1. 热催化合成氨的平衡转化率受温度与压力影响显著。

2. 电催化：条件温和，前景广阔

与热催化不同，电催化法利用电能直接驱动反应。它可以在温和条件下，以氮气和水为原料合成氨，或者将氨裂解以回收氢气。这种方法最大的吸引力在于其与可再生能源发电的自然兼容性，为低碳甚至零碳的氨生产提供了可能。同时，其设备灵活的特性也适合于分布式、模块化的应用场景。不过，电催化技术目前仍处于发展初期，面临着效率偏低、催化剂稳定性不足等挑战，距离大规模工业化尚有一段距离。研究显示，电催化可以通过施加外电压来主动打破热力学平衡的限制，如图2所示，这为在更优条件下进行反应开辟了新途径。

图2. 电催化合成氨中，施加电压可提升反应驱动力，拓宽高效反应温度范围。

3. 不仅合成，裂解制氢同样关键

除了合成，氨作为氢能载体的逆向过程——裂解制氢也同样重要。传统的热裂解需要极高的温度，能耗大且催化剂易损耗。而电化学裂解则可在低得多的温度下进行，通过氨氧化反应直接产氢或发电，这一特性使其与燃料电池等终端应用能很好地衔接。

4. 未来方向：互补与融合，而非简单替代

氨技术的未来发展很可能不是简单的技术替代，而是走向互补与融合。一条可行的路径是利用可再生能源生产的“绿氢”来改良现有的热催化合成工艺，从而大幅降低其碳足迹。另一条是开发电-热协同的耦合催化系统，通过同时利用热场和电场来协同提升反应效率。此外，诸如固体酸电解池等新型电化学系统的创新，也致力于实现氨的高效、高选择性裂解，以直接生产高纯氢气。

图3. 电催化合成氨中，提高反应温度可提升反应驱动力。

5. 总结与展望

热催化以其坚固的产业基础，将继续在大规模集中生产中扮演角色；而电催化以其与绿色能源的亲和力与灵活性，为分布式应用和深度脱碳带来了希望。通过针对不同场景的智能选择与有机结合，并持续推动系统层面的创新，氨有望在未来可持续的能源图景中，发挥比今天更为核心和绿色的作用。

6. 原文信息

相关成果以Ammonia Synthesis and Cracking: Thermocatalytic versus Electrochemical Approaches为题发表在Green Energy & Environment期刊，通讯作者为新加坡科技研究局高加俭。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2025.12.018

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部