氮是构成蛋白质、核酸必不可少的元素，是生命有机体的基本元素之一。农作物生长过程最需要的元素就是氮，氮也成为动物生存所必需的元素。在生物圈中，氮素和其他元素一样处于不断循环中。氮循环是地球上维持生命最重要的循环之一。

自然界的这种循环本可永无休止地一直进行下去，但当地球上的人口日益增多，而耕地面积又不可能同步扩大时，单单依靠这种自然循环来提供农作物的养分就显得不能满足需要了。这时，为了维持这种循环，就需要人为地向耕地补充养分。化学肥料的问世可以直接通过土壤向作物施肥，从而改变了氮的循环。

氮气在空气中的体积含量约为78%。然而氮是一种惰性气体，它的生物和化学性质稳定，植物不能直接利用，必须将游离的氮结合成为硝酸盐或亚硝酸盐，或与氢结合成氨，才能为大部分生物所利用，参与蛋白质的合成。因此，大氣中的氮只有被固定后，才能进入生态系统，参与氮的循环。

催化合成氨

改变了20世纪人类历史

人类从18世纪开始寻找把空气中的氮固定下来的方法。1754年，化学家布瑞斯特丽（Briestly）第一次利用NH4Cl 和CaO得到NH3。1784年，法国化学家贝托雷（Berthollet）提出氨是由氮和氢两种元素组成。1908年，德国科学家弗里茨·哈伯（Fritz Haber）申请了一项合成氨的专利，其化学反应方程式为： N2 + 3H2=2NH3。这是一个简单的化学反应，但要实现却非常困难。因为氮分子实在“太顽固”了，它的两个原子靠得太近、结合得太牢固，即使在高温高压下也无法生成氨。因此必须寻找一种物质加入到该反应体系中，该物质既要能够加快反应速度，本身又不会被消耗，这种物质叫做催化剂（Catalyst）！1909年，德国工程师卡尔·博施（Carl Bosch）在经历了大约2000种催化剂、近6000多次实验后，终于找到最有效的Fe3O4催化剂，解决了这个问题。1913年，在德国建立了世界第一座合成氨厂，实现了氨的工业化生产。

人类从第一次在矿物中制取氨到工业生产氨，整整花了159年，可谓“百年磨一剑”！ 催化合成氨是目前唯一具有工业规模的固定氮的方法，它的出现，是人类征服自然的一个划时代的丰碑。弗里茨·哈伯（Fritz Haber）和卡尔·博施（Carl Bosch）也因此分别被授予1918年和1931年的诺贝尔化学奖。

催化合成氨技术是20世纪人类最伟大的发明之一，它改变了世界粮食生产的历史，也改变了以氨为原料的生产历史，从而改变了整个20世纪人类的历史！在20世纪，世界人口随合成氨的产量增长而迅速增长；而合成氨的使用又直接与武装冲突中1亿多人的死亡有关。一百年来，我们生活在一个被合成氨改变了的并且对它形成高度依赖的世界里。如果没有这项发明，地球上将有60%的人不能生存！

合成氨催化剂研究的

重大突破

传统Fe3O4催化剂经过几十年持续不断的改进，人们一致得出Fe2+/Fe3+为0.5的磁铁矿相催化效果最佳的经典结论（如图1所示）。科学家们经过近10万种新催化剂的探索，未能发现比Fe3O4更好的催化剂。到70年代末，所有工业氨合成铁催化剂无一例外，主要组成都是Fe3O4。但是由于粮食的刚性需求增长，迫切需要一种更高活性的催化剂，于是人们开始寻求新的技术突破。

但是，突破点在哪里呢？

1985年，浙江工业大学刘化章教授等突破了国际上沿袭80多年的Fe3O4具有最高活性的经典结论，发明了Fe1-xO催化剂。这一发现标志着合成氨催化剂研究取得了重大的突破！

世界领先的新一代Fe1-xO催化剂是一项中国独创、拥有自主知识产权的原创性成果，是百年来氨合成催化剂研究领域里的一次重大突破，技术水平达到国际领先水平。其中A110-2、A301、ZA-5等系列新型催化剂在世界上得到广泛应用，取得巨大的经济和社会效益，获国家发明二等奖、三等奖、国家科技进步二等奖各1项、省部科技进步一等奖6项、发明专利20项，并发表论文400余篇。

要了解这项成果的原理，就要首先研究铁的氧化物及其结构特征。铁的化合价是+2和+3，与氧反应可以生成3种氧化物：Fe2O3、Fe3O4和FeO，在晶体学上分别称作赤铁矿、磁铁矿和方铁矿或维氏体。它们在结构上是密切相关的，差别只是在氧离子（O2-）立方密堆积中二价铁（Fe2+）和三价铁（Fe3+）的相对比例不同。如果用球的大小代表离子的大小，我们可以把氧离子（O2-）、二价铁（Fe2+）和三价铁（Fe3+）分别比作足球、棒球和乒乓球。则Fe2O3是在足球密堆积起来的立方体的空隙中，放入代表Fe3+的乒乓球、FeO中放入代表Fe2+的棒球，而Fe3O4中则同时放入代表Fe2+的棒球和代表Fe3+的乒乓球，且棒球和乒乓球的比例为1∶2。各种铁氧化物都可以用二价铁（Fe2+）与三价铁（Fe3+）的离子比（Fe2+/Fe3+=R）来表征，即Fe2O3中只有Fe3+，R=0；Fe3O4中R=0.5；而FeO是个例外，理论上没有Fe3+，R=无穷大，但FeO在自然界不存在，人工合成的FeO实际上也含有Fe3+，并表示为Fe1-xO，其R=4～10。

那么，在三个铁氧化物中，为什么只有Fe3O4是最好的呢？

为此，团队系统地研究了所有铁氧化物及其混合物与催化活性的关系（如图2所示）。催化活性随Fe2+/Fe3+的变化呈驼峰形曲线：Fe2+/Fe3+从小增大，活性出现两个峰值。当Fe2+/Fe3+为0.5左右（即传统催化剂）时，活性出现第一个峰值，随着Fe2+/Fe3+增大，活性有所下降，且在Fe2+/Fe3+=1左右时，活性降到了最低；当Fe2+/Fe3+继续增大时，催化活性出现回升，Fe2+/Fe3+达到5～8时，活性出现第二个峰值且达到最高值；再继续增大Fe2+/Fe3+时，活性呈缓慢下降的趋势。据此得到如下结论：

最好的熔鐵催化剂中应该只有一种铁氧化物和一种晶体结构。任何两种铁氧化物的混合都会引起催化活性的降低，混合程度越大，活性越低，当两种铁氧化物以等摩尔共存时，活性降到最低点。助催化剂相的均匀分布是高活性的关键。但只有催化剂的组成单晶化，才能确保助催化剂相的均匀分布，才能获得高活性的氨合成熔铁催化剂。

这三个结论，我们称之为单相原理。

由图2可知，铁氧化物的合成氨活性次序为：Fe1-xO>Fe3O4>Fe2O3>混合氧化物（Fe2O3+Fe3O4或Fe3O4+FeO）。这个规律我们称之为活性模型。

由此可知，在所有铁氧化物及其混合物中，具有最高的活性的Fe1-xO基催化剂被发现。这是经典的合成氨催化剂自20世纪初发明以来的一个重大突破。

那么，为什么是Fe1-xO而非其他催化剂有这样的功效呢？

为了解释Fe1-xO催化剂具有如此高活性的原因，刘化章教授经历了20多年时间的研究，提出了一系列新的概念、新的理论，创立了以单相原理为核心的我国独创Fe1-xO催化剂的理论体系，并以此为基础，撰写出版中文、英文专著2部，凝聚成宝贵的世界财富。

至此，Fe1-xO催化剂成为我国独创的具有有理论、有专利、有产品的三有特征的原始创新成果，开创了熔铁催化剂研究的新阶段，使氨合成催化剂活性有了一个飞跃性的进步。

氨合成催化剂加快化学反应速度的能力，一般用反应器出口生成的氨的浓度来表示，氨浓度越高，加快反应速度的能力越强，即催化剂的活性越高。由图3可知，在相同的反应条件下，ZA-5型Fe1-xO催化剂的出口氨的浓度比A110-2型Fe3O4催化剂高4.92个百分点，即提高了42.36%。新一代ZA-5型Fe1-xO催化剂具有活性高、温度低、极易还原、耐热抗毒性能好、机械强度高、生产成本低等特点，特别适用于低压合成氨，是目前世界上活性最高、生产成本低廉的最先进的商用催化剂，故在国内外合成氨工业中得到广泛应用。目前因其工业应用而累计增产合成氨约5200万吨，增产粮食约32，120万吨，节省投资214.67亿元，节能5200万吨标煤，CO2减排2亿吨，取得巨大的经济和社会效益。

粮食问题始终是性命攸关的重大战略问题。作为人口众多的发展中大国，解决好13亿人的吃饭问题始终是我们治国安邦的头等大事。在农业生产的各相关因素中，全世界农作物产量增加的50%来自于化肥的贡献。在增产粮食和确保粮食安全中，化肥的作用不可替代。