1909 年 - 至今 | 氮氢合成·高温高压·催化剂 | 从空气中制造面包的化学魔术
N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃
反应条件：温度 400-500°C | 压力 150-300 大气压 | 铁催化剂
反应特点：放热反应 | 体积缩小 | 可逆反应
氮气：从空气中分离（液化空气法）
氢气：天然气重整或煤制氢
纯度：需高度净化
温度：400-500°C
压力：150-300 大气压
催化剂：铁基催化剂
方法：冷却液化
原理：氨沸点高（-33°C）
未反应气体：循环使用
未反应 N₂、H₂：返回合成塔
转化率：单程 10-20%
总转化率：98% 以上
| 条件 | 理论最优 | 实际选择 | 原因 |
|---|---|---|---|
| 温度 | 低温（利于平衡） | 400-500°C | 兼顾反应速率和催化剂活性 |
| 压力 | 高压（利于平衡） | 150-300atm | 设备成本和安全性考虑 |
| 催化剂 | 高活性催化剂 | 铁基催化剂 | 成本低、活性好、寿命长 |
| 原料比 | N₂:H₂=1:3 | N₂:H₂=1:2.8-2.9 | 氢气稍过量，提高氮气转化率 |
氮气分子三键非常稳定（键能 941kJ/mol），需要高效催化剂才能断裂
需要制造能承受 200 大气压以上的反应器，当时是工程技术极限
反应器需要耐受 500°C 高温和氢气腐蚀，材料科学挑战
英国化学家普利斯特里首次分离出氨气，但当时无法人工合成，只能从天然来源获取
英国科学家克鲁克斯警告世界面临氮肥危机，预言 21 世纪将因缺氮而饥荒，呼吁科学家寻找固氮方法
弗里茨·哈伯在卡尔斯鲁厄理工学院开始研究氮气和氢气直接合成氨的反应
哈伯完成合成氨反应的热力学计算，证明在高温高压下反应可行，但需要催化剂
哈伯在实验室首次成功合成氨，使用锇催化剂，每小时生产 125 毫升液氨，证明技术可行性
哈伯与德国巴斯夫 (BASF) 公司合作，卡尔·博世负责工业化开发
德国奥堡建成世界首座合成氨工厂，年产 7000 吨，标志合成氨技术工业化成功
合成氨使德国能够生产炸药（硝酸），突破英国海上封锁，延长战争
弗里茨·哈伯因"从元素合成氨的方法"获诺贝尔化学奖，争议巨大
合成氨技术在全球推广，法国、英国、美国等相继建厂
卡尔·博世因"发明与发展化学高压技术"获诺贝尔化学奖
二战后合成氨主要用于化肥生产，推动农业产量大幅提升
合成氨化肥支撑绿色革命，全球粮食产量翻倍，避免大规模饥荒
全球合成氨年产量突破 1 亿吨，成为产量最大的化工产品之一
利用可再生能源生产"绿氨"，减少碳排放，推动可持续发展
| 领域 | 应用 | 说明 |
|---|---|---|
| 化肥工业 | 尿素、硝酸铵、硫酸铵 | 合成氨 80% 用于化肥生产 |
| 炸药工业 | TNT、硝酸甘油 | 氨氧化制硝酸，用于炸药 |
| 化工材料 | 塑料、纤维、树脂 | 尼龙、聚氨酯等原料 |
| 制冷剂 | 工业制冷 | 氨是优良制冷剂 |
| 水处理 | 氯胺消毒 | 饮用水处理 |
| 影响类型 | 正面影响 | 负面影响 |
|---|---|---|
| 碳排放 | - | 占全球 1-2% 碳排放 |
| 土地利用 | 减少耕地需求 | 过度施肥污染 |
| 水体污染 | - | 氮流失导致富营养化 |
| 粮食安全 | 避免大规模饥荒 | 依赖化肥不可持续 |
弗里茨·哈伯因"从元素合成氨的方法"获奖
卡尔·博世因"化学高压技术"获奖
诺曼·博洛格因"绿色革命"获奖（依赖合成氨）
被《时代》杂志评为 20 世纪最重要发明之一
| 方向 | 内容 | 目标 |
|---|---|---|
| 绿氨生产 | 可再生能源制氢 + 合成氨 | 零碳排放 |
| 温和条件合成 | 低温低压催化剂 | 降低能耗 |
| 电化学合成 | 电催化氮还原 | 分布式生产 |
| 光催化合成 | 光能直接驱动 | 太阳能利用 |
| 生物固氮 | 人工模拟固氮酶 | 常温常压 |