探索地球天然工廠：製造更潔淨、環保肥料的新途徑

你知道嗎？如今科學家們正發現一種嶄新且環保的方法，利用地球天然的地質作用合成氨，這有可能徹底改變肥料生產方式，同時大幅降低化工業的碳足跡。以往，生產氨需要依靠高耗能的反應器，然而現在，科學家們正探索一條更天然的途徑——藉助地球內部的熱能和壓力。

就在今年1月21日發表於《焦耳》期刊的一項概念驗證研究顯示，將富含氮的水與富含鐵的岩石相結合，就能夠產生氨，而且整個過程既不需要任何外部能源，也不會釋放二氧化碳。這一創新方法為傳統氨生產提供了更具永續性的替代方案，據估算，其產出的氨足以供應長達約242萬年。

這個構想的靈感源於上世紀80年代在西非馬裡的一項不尋常地質發現。當地居民發現一口井會釋放出氫氣，後經科學家研究，確定這是地球深處水與岩石之間自然化學反應的結果。麻省理工學院（MIT）的資深作者伊維內蒂姆·阿巴特表示，那一刻就像「啊哈」瞬間，讓他們意識到或許可以把地球當作一座工廠，利用其內部的熱能和壓力，以更清潔的方式生產像氨這樣有價值的化學品。

氨不但是肥料的關鍵成分，未來甚至有可能作為清潔燃料，然而現今的工業氨生產極為耗能。它消耗了全球約2%的能源，每生產1噸（2204磅）氨，就要排放約2.4噸（5291磅）的二氧化碳，是化工業的頭號二氧化碳排放源。

為了驗證地球工廠的想法，阿巴特及其團隊搭建了一個岩石 - 水反應系統，模擬地球的地下環境。他們將合成的富含鐵的礦物質暴露在含氮的水中，引發了一場化學反應，使岩石氧化並產生了氨，團隊將其稱之為「地質氨」。這個過程無需能量輸入，不排放二氧化碳，甚至在常溫常壓下就能運作。

接著，團隊用橄欖石（一種天然富含鐵的岩石）替換了合成礦物質，以便更好地模擬現實世界的情形。他們還透過新增銅催化劑，並將溫度提升到300°C（572°F），進一步最佳化了整個過程。在21小時內，每噸（2204.6磅）橄欖石就能產出約1.8公斤（4磅）的氨，充分證明瞭這一方法的可行性和永續性。

阿巴特指出，這些岩石在全球各地都有，所以這個方法在全球有著廣泛的應用潛力。但他也強調，要真正落實這個方法，還面臨著一系列複雜的問題。實施過程涉及到向地球深處富含鐵的岩石層鑽孔、注入含氮的水，還要處理岩石如何破裂、膨脹以及與氣體和液體相互作用等諸多複雜問題。

從經濟前景來看，這個想法令人振奮。生產地質氨每公斤成本約0.55美元，與傳統方法每公斤0.40 - 0.80美元的成本相當。此外，這項研究還可能為解決廢水汙染問題開闢新途徑。麻省理工學院的第一作者高逸凡表示，廢水中的氮源被視為汙染物，去除它既耗費金錢又消耗能源，但現在或許可以利用廢水來生產氨，這無疑是個雙贏策略。將廢水處理與氨生產相結合，每生產1公斤氨還能額外獲得3.82美元的利潤。

麻省理工學院的另一位資深作者李巨也提到，氨對生命至關重要。除了微生物，地球上另一種自然產生氨的方式就是閃電擊中氮氣。所以從生命起源的角度來看，地質方式生產氨的發現十分有趣。

參考文獻：《地質氨：岩石刺激產生氨》，作者高逸凡、雷明、巴楚·斯拉萬·庫馬爾、休·巴雷特·史密斯、韓碩熙、洛克什·桑加巴圖拉、李巨和伊維內蒂姆·I·阿巴特，發表於2025年1月21日的《焦耳》期刊，DOI：10.1016/j.joule.2024.12.006 。本研究由美國國家科學基金會資助。