目前，麻省理工学院化学工程系 Warren K. Lewis 职业发展教授 Karthish Manthiram 正领导着近期获得 J-WAFS 拨款的七大研究项目之一。Karthish 力图开发一个太阳能电化学设备，将大气中的氮、水和阳光转化为氨，并将其添加到土壤中，以促进作物生长。

Opening Doors 就该项目及其目标采访了 Manthiram 教授

您的研究项目课题是什么？

项目名为“分布式肥料生产中的电化学固氮作用”。

项目主要内容是什么？

作物产量低是非洲人口营养不良和贫困的关键诱因。与此同时，非洲肥料使用率远低于世界其他地区，限制了土壤的农业生产力。非洲缺乏稳健的本地肥料市场，这是造成上述情况的原因之一。农耕规模总体较小且布局分散，而且由于基础设施落后，肥料配送成本十分高昂。这一情况与通过肥料哈伯-博施法高度集中制氨相矛盾。该施法运用高温高压，规模小时成本高昂，因而需要大规模实施。

我们的研究旨在论证使用常见原料局地产氨的新途径，避免一直以来牵制非洲肥料利用的成本和配送问题。

我们计划开发一种由太阳能电池板驱动的电化学设备，将大气中的氮和水转化为氨。设备仅需空气、水和阳光，因此可以部署于偏远地区。此后，可以直接将生产的氨注入土壤，或者与二氧化碳反应、形成尿素，农民就可以轻松地在本地施用。

总而言之，研究将阐明本地电化学法肥料生产是否为适合小群体农户掌握自身土壤健康的可行方法。

为什么在生产肥料时氨如此重要？

氨是重要的氮来源，而氮是植物生长所需的关键营养物质之一。在施肥时，我们还氮于田，弥补此前农耕期间消耗的氮。以这种方式增加土壤营养含量有助于提高土地的农业生产力。

为什么非洲肥料利用率相对较低？

这是由基础设施和资源双重因素造成的。非洲需要大量肥料来改善土壤健康，但是为紧缺地区输送、储存和配送肥料的基础设施并不健全。个体层面可利用的资源也有不足。对个体农户而言，尽管肥料能提高生产力，帮助他们摆脱贫困，但肥料成本实在太高。所以这就成了“鸡生蛋、蛋生鸡”的问题，本地需求有限，意味着区域政府和私营部门不愿意投入建设基础设施。

中东地区肥料利用广泛吗？

中东肥料使用更加普遍，生产肥料的自然潜力也相当大。产氨需要氢，氢的绝佳来源是天然气，而天然气正是中东经济的中流砥柱。但是，这种产氨方式形成的碳足迹非常大。我们的技术有望支持中东地区利用全球市场生产肥料，同时减少碳排放。

您能否简要介绍一下拟建设备的工作原理？

我们计划开发一项全新工艺，利用家用太阳能电池板或风力涡轮机等途径产生的清洁电力，将其与氮和水结合，形成氨。这一过程可以在个体乃至全村或全社区层面完成，因此无需集中化基础设施，更容易打破贫困怪圈。

技术实际产出物是什么？

技术可以生产出氨或尿素，二者都是有效的肥料。有两种切实可行的操作办法。一种是先制氨，再想办法将其直接注入土壤。这是我们的部分研究重心。另一种方法是将氨与二氧化碳反应，生成尿素，然后作为固体肥料出售，方便装运和配送。

既然技术由太阳能或风能驱动，那么中东和北非貌似是理想的选址地。是这样吗？

正是如此。该地区多国政府都坚决承诺，充分利用自身的太阳能、风能等可持续自然资源，帮助改善社会和国民生活水平。

如果我们能推出新工艺，利用清洁能源，以更具可持续性的方式生产肥料，扩大现有市场并开拓新市场，这将是一次非常振奋人心的进步。

它会产生哪些更广泛的环境影响？

目前的产氨法起源于一百年前发明的工艺，碳足迹较大。我们的技术能大幅削减肥料生产造成的碳足迹。另一项环境效益是遏制肥料径流。传统施肥法施用量大，这意味着下雨时，一定量的氨和其他土壤成分会流失，排入小溪和河流。我们希望通过本地生产肥料和更精细地管控土壤施用，仅施用作物实际需要的肥量，以此缓解径流问题。

最新一轮 J-WAFS 拨款将延续至 2019 年 8 月。届时您的研究是否能够完成？

我们尚处于研究初期阶段。尽管我们对项目十分确信，但要实现技术创新，首先我们还需要弄清一些基础科学。研究很可能会延续多期，届时我们会调整技术，寻找最佳实施途径，让它能为人们的生活带来最大影响。