尿素合成技术的百年演进及其绿色转型的路径、实践及展望

Centennial Evolution of Urea Synthesis Technology and the Pathways, Practices and Prospects of Its Green Transformation

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2026.03.001

许明洪 Minghong XU , 李霞 Xia LI

1 青海维祥科技有限公司青海格尔木 816000 Qinghai Weixiang Technology Co., Ltd., Golmud, Qinghai 816000, China 2 青海盐湖工业股份有限公司青海格尔木 816000 Qinghai Salt Lake Industry Co., Ltd., Golmud, Qinghai 816000, China

摘要：

系统梳理了尿素合成技术自实现工业化以来的百年演进历程，深入剖析了从经典的哈伯-博世合成氨和博世-迈塞尔合成尿素工艺，到全球碳中和背景下绿色转型浪潮的技术迭代逻辑；构建了兼具历史深度、技术前沿性与产业洞察力的综合性分析框架；详细阐述了传统工艺的关键技术里程碑、核心原理、能耗特征及环境影响；重点解析了以“绿氨路线”和“电催化直接合成”为代表的绿色尿素技术路径，深入剖析其核心机理、性能瓶颈与碳减排潜力，同时涵盖电催化合成、无催化剂温和条件合成及工业级低能耗工艺升级等多元创新方向。结合中国、欧盟和美国的产业实践，系统探讨了各国在政策法规、技术示范、研发创新领域的差异化路径与共性挑战，并对绿色尿素的经济成本构成、未来产业链重构趋势及技术发展路线图进行了前瞻性展望。研究表明，尽管传统工艺仍占据主导地位，但可再生能源驱动的绿色合成技术正以突破性态势重塑尿素工业格局，标志着一场贯穿能源结构、生产模式与产业链体系的产业革命已然来临。

关键词：

尿素合成技术; 绿氨; 绿色尿素; 电催化合成; 低能耗工艺; 绿色转型; 技术迭代;

Abstract：

The centennial evolution of urea synthesis technology since its industrialization is systematically reviewed, and the technological iteration logic from the classic Haber-Bosch ammonia synthesis and Bosch-Meiser urea synthesis processes to the wave of green transformation under the context of global carbon neutrality is deeply analyzed. A comprehensive analytical framework integrating historical depth, technological frontiers, and industrial insight is constructed. The key technological milestones, core principles, energy consumption characteristics, and environmental impacts of traditional processes are elaborated in detail. The green urea technology pathways represented by the "green ammonia route" and "direct electrocatalytic synthesis" are emphatically analyzed, with in-depth exploration of their core mechanisms, performance bottlenecks, and carbon emission reduction potential. Diverse innovative directions, including electrocatalytic synthesis, catalyst-free synthesis under mild conditions, and the upgrading of industrial low-energy-consumption processes, are also covered. Based on industrial practices in China, European Union, and the United States, the differentiated pathways and common challenges in policy and regulation, technology demonstration, and research and development innovation across these countries are systematically discussed. A forward-looking perspective is provided on the economic cost composition of green urea, future trends in industrial chain restructuring, and the technology development roadmap. Research indicates that although traditional processes still dominate, green synthesis technologies driven by renewable energy are reshaping the landscape of the urea industry with groundbreaking momentum, signaling the advent of an industrial revolution spanning energy structure, production models, and industrial chain systems.

Keyword：

urea synthesis technology; green ammonia; green urea; electrocatalytic synthesis; low-energy-consumption process; green transformation; technological iteration;

尿素作为全球产量最大、应用最广的氮肥品种，是维系世界粮食安全的基石，在农用肥料、医药化工、食品加工等领域具有不可替代的战略地位。自1828年弗里德里希·维勒(Friedrich Wöhler)在实验室首次实现尿素的人工合成，打破了有机物与无机物的界限以来，该技术彻底改变了农业生产和化学工业的发展轨迹。1922年，德国巴斯夫公司(当时为I. G. Farben的一部分)成功将氨和二氧化碳经高压合成尿素的工艺工业化，即博世-迈塞尔法(Bosch-Meiser Process)，自此开启了尿素大规模生产的时代^[1]。

一个世纪以来，尿素合成技术在生产效率、装置规模与运行可靠性上取得了长足进步，目前全球尿素年产能已突破2亿t^[2]。然而，这份“白色颗粒”的繁荣背后，人类付出了沉重的环境代价。传统尿素的生产高度依赖化石燃料(以天然气和煤为主)，其上游的合成氨环节所采用的哈伯-博世法(Haber-Bosch Process)，是全球公认的“高耗能”和“高排碳”工艺。据统计，合成氨工业消耗了全球约2%的能源，其CO₂排放量占全球总排放量的近1%^[3-5]。作为合成氨最大的下游应用领域，尿素工业成为该环境足迹的核心贡献者，传统博世-迈塞尔工艺的尿素碳排放强度(以CO₂计)高达0.7~2.3 t/t，成为化工行业主要的排放源之一。

2020年以来，全球气候变化问题日益严峻，《巴黎协定》确立的碳中和目标已成为各国共识。化工行业作为关键的排放源，其绿色转型已从“可选项”变为“必选项”。我国的《合成氨行业节能降碳专项行动计划》已明确要求，到2025年底，合成氨行业能效标杆水平以上产能占比提升至30%。在这一历史性转折点，拥有百年历史的尿素工业正面临着前所未有的挑战与机遇。推动尿素生产摆脱对化石能源的依赖，构建可持续、低碳，甚至零碳的工艺体系，已成为全球学术界、工业界和政策制定者共同关注的核心议题。

本文立足于最新行业动态与科研进展，系统梳理了尿素合成技术的百年发展脉络，深入剖析其绿色转型的核心驱动力、关键技术路径与全球实践案例，旨在为尿素产业的可持续发展提供支撑，并为相关技术人员提供全面、深入的参考依据。

1 尿素合成技术的百年演进：从工业化到技术成熟

1.1 工业化的开端：哈伯-博世法与博世-迈塞尔法的奠基

尿素工业的技术根基源于哈伯-博世法合成氨和博世-迈塞尔法合成尿素。

1.1.1 哈伯-博世法合成氨

20世纪初，弗里茨·哈伯(Fritz Haber)和卡尔·博世(Carl Bosch)联合开发出利用从空气中分离的氮气与从化石燃料(早期为煤炭，后期以天然气为主)中制取的氢气直接合成氨的工艺，其反应式为：$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$。该反应需在15~30 MPa的高压与400~500 ℃的高温工况下进行，并依赖铁基催化剂^{[3, 6]}。哈伯-博世法解决了氨的规模化供应问题，为尿素工业奠定了物质基础。但该工艺固有的高耗能特征与对化石原料的依赖，为后续环境问题埋下了隐患，其能耗占尿素生产总能耗的70%以上。

1.1.2 博世-迈塞尔法合成尿素

在氨源问题得到解决后，卡尔·博世和威廉·迈塞尔(Wilhelm Meiser)于1922年开发并实现了尿素的工业化生产^[1]。该方法至今仍是全球工业尿素生产的唯一商业化路径，其核心工艺过程包括以下两个反应。

(1) 氨基甲酸铵(以下简称甲铵)生成反应(放热反应)。液氨与二氧化碳在高温高压下发生快速可逆反应，生成甲铵(NH₂COONH₄)，反应式为：$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$

(2) 甲铵脱水反应(吸热反应)。甲铵在合成塔内进一步受热，缓慢脱水生成尿素和水，反应式为：$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$

整个反应过程在13~25 MPa的高压和170~210 ℃的高温工况下进行，反应物在合成塔内的停留时间为20~30 min^[7]。由于第一步为快速放热反应，第二步为缓慢吸热反应，且两步均为可逆反应，造成单程转化率受限。因此，后续工艺发展的核心聚焦于产物的高效分离与未反应原料的循环利用等方向，以提升总收率并降低能耗。

1.2 传统工艺的技术迭代与优化

尿素合成工艺自1922年首次工业化以来，被持续优化迭代，如荷兰的斯塔米卡邦(Stamicarbon)、意大利的斯那姆普罗吉蒂(Snamprogetti，现为Saipem)等技术授权商，已成为现代尿素工艺的主要技术流派^[8]。技术优化始终围绕“提升转化率、降低能耗、减少投资”三大核心目标展开，关键技术的进步主要体现在以下方面。

(1) 全循环法的确立。早期工艺中，未反应的氨和CO₂通过降压解析后直接回收或另作他用，能耗较高。后续发展的“全循环法”通过在不同压力等级下分解未转化的甲铵，并将分解气送回合成回路，实现了物料闭路循环，大幅降低了原料消耗。

(2) 汽提法的技术革命。20世纪60年代，Stamicarbon公司率先开发了CO₂汽提法，Snamprogetti公司随后推出了氨汽提法。该类技术的创新在于无需降压，在接近合成压力的条件下，利用过量的反应物(CO₂或氨)之一作为汽提剂，在汽提塔中吹脱尿素溶液中未转化的甲铵，使其分解为氨和CO₂气体，再将气体送回至冷凝器和反应器。该方法显著优化了工艺流程，降低了蒸汽消耗与设备投资，成为现代大型尿素装置的主流技术方案。

(3) 热集成与节能优化。现代尿素工艺高度重视能量的梯级利用，如甲铵的生成与冷凝过程中释放的大量热量被用于副产低压蒸汽，驱动机泵或供给下游工序，实现了高效的热集成^[9]。

(4) 设备与材料的进步。尿素合成介质在高温高压下具有强腐蚀性，对设备材质要求极高。双相不锈钢等先进材料的研发应用，以及高压设备(如合成塔、汽提塔、高压冷凝器)制造技术的进步，为装置的大型化、长周期和安全稳定运行提供了保障。

(5) 中国本土技术的追赶与创新。中国作为全球最大的尿素生产国，在引进、消化和吸收国外先进技术的基础上，形成了具有自主特色的技术体系。部分企业通过优化合成氨与尿素装置的联动、采用先进的煤气化技术、开发高效的节能设备(如高效塔盘、甲醇-甲烷化集成技术)等方式，持续降低生产能耗^[10-11]。

1.3 传统工艺的环境与经济代价

尽管传统尿素工艺历经了百年技术迭代，但以哈伯-博世法与博世-迈塞尔法为核心的技术根基，决定了其具有以下难以规避的局限性。

(1) 高能耗特征。以天然气为原料的先进尿素生产装置，合成氨环节的能耗维持在27.4~31.8 GJ/t^[12]。整个尿素产业链(从化石燃料开采到最终产品)的能量消耗巨大，是全球工业能源消耗的重要组成部分，吨尿素蒸汽消耗普遍超过700 kg。

(2) 高碳排放强度。碳排放主要来自两个方面：①原料与燃料排放。在制氢过程中，天然气或煤中的碳元素被氧化成CO₂，虽然有部分CO₂可作为原料用于尿素合成，但即使采用最佳可行技术的合成氨装置，每生产1 t氨仍需排放约1.82 t的CO₂^[13]。②工艺过程排放。合成氨装置的弛放气、锅炉烟气等均含有CO₂。据估算，生产1 t尿素的净CO₂排放量为0.6~0.9 t(取决于原料类型与技术水平)，且未计入化石燃料上游开采与运输环节的排放。尿素工业已成为全球温室气体排放的重要来源^{[3, 5, 14]}。

(3) 化石能源依赖性。尿素价格与天然气、煤炭等大宗能源的价格相关度较高，受国际能源市场波动影响显著。这不仅会带来经济层面的不确定性，也会对能源安全领域构成潜在风险。

(4) 其他局限。反应条件苛刻导致设备投资成本高昂，单套工业装置建设成本超5亿美元，且对材质防腐要求极高；原料利用率有限，氨逃逸率普遍高于0.3%，造成资源浪费与环境风险；同时，单程转化率受限，需通过复杂的循环系统提升收率。

综上，历经一个世纪的技术迭代，传统尿素合成技术已日趋成熟，但在全球碳中和目标的导向下，其固有的高能耗、高排放特征，使其走到了必须进行根本性变革的十字路口。

2 绿色转型的驱动力与核心路径

面对全球气候变化带来的严峻挑战与全球性碳减排承诺，尿素工业的绿色转型已势在必行。这场转型不仅是技术层面的革新，更是能源结构、产业链布局与商业模式的系统性重塑。

2.1 全球碳中和背景下的产业压力

2.1.1 政策与法规约束

以欧盟“绿色协议”(European Green Deal)、碳边境调节机制(CBAM)及中国的“双碳”目标为代表，全球主要经济体纷纷出台了强有力的气候政策。碳定价机制(如碳排放交易系统ETS、碳税)的实施，将CO₂排放从外部环境成本转化为企业内部运营成本，直接削弱了传统高碳工艺的经济竞争力^[15-17]。

2.1.2 市场与供应链诉求

下游农业、食品等行业对供应链“绿色属性”的要求持续提升，资本市场也日益青睐环境、社会和治理表现优异的企业。绿色转型已成为企业获取融资支持、提升品牌价值的关键路径。

2.1.3 技术进步的推动

可再生能源(光伏、风电)成本的快速下降，以及电解水制氢技术的日趋成熟，为尿素工业摆脱化石能源依赖提供了可行的技术经济基础。同时，电催化、无催化剂合成等新型反应技术的突破，为温和条件下的尿素合成提供了多元化的解决方案。

2.2 绿色尿素的核心理念：Power-to-X与碳循环

绿色尿素转型的核心是摆脱对化石能源的依赖，构建一个以可再生电力为能源输入，以水、空气和捕获CO₂为原料的闭环生产体系。这一理念可概括为“Power-to-Urea”，是“Power-to-X”概念在尿素领域的具体应用。其理想化的循环路径有以下几条^{[8, 18]}。

(1) 绿色电力(Green Power)：依托光伏、风电等可再生能源发电。

(2) 绿色氢气(Green H₂)：通过电解水将绿色电力转化为化学能，制备“绿氢”。

(3) 绿色氮气(Green N₂)：通过深冷空分法从空气中分离出高纯度氮气(此过程消耗绿色电力)。

(4) 绿色氨(Green NH₃)：将绿氢与绿色氮气送入哈伯-博世反应器，合成“绿氨”。

(5) 捕获二氧化碳(Captured CO₂)：从工业烟道气、生物质发酵产物或直接从空气中获取CO₂(DAC技术)。

(6) 绿色尿素(Green Urea)：将绿氨和捕获的CO₂送入博世-迈塞尔反应器，合成最终产品“绿色尿素”。

在该模型中，化石燃料被完全替代，生产过程中的碳排放接近于零，甚至可以通过DAC技术实现碳的负排放，形成将可再生能源、化工生产与碳捕集利用深度融合的循环经济典范。此外，通过废水资源化等路径，以工业废水中的碳氮污染物为原料合成尿素，实现“以废治废”，有望成为碳氮资源循环的重要分支。

2.3 主要技术路径对比：绿氨路线、电催化直接合成及其他创新路径

目前，实现“Power-to-Urea”主要有3条技术路径，其在技术成熟度、效率和颠覆性上存在显著差异。

2.3.1 绿氨路线

绿氨路线是当前最具现实可行性的技术路径，其本质是“可再生前端+成熟后端”的组合模式^[19-20]。该路径将成熟的哈伯-博世合成氨工艺、博世-迈塞尔合成尿素工艺与新兴的电解水制氢技术相结合，保留后端的化工生产单元，仅对前端的氢气来源进行“绿色化”改造。同时，可结合工业级低能耗工艺升级，优化现有生产流程。该技术的成熟度相对较高，其中电解水技术，如碱性电解、质子交换膜电解已实现大规模商业化；哈伯-博世和博世-迈塞尔工艺更是经过百年以上工业验证的成熟技术。该技术的核心挑战在于实现波动性可再生电力与稳定运行化工装置的高效、经济耦合。

绿氨路线的优势在于其技术风险较低，可依托现有的大量化工基础设施；产业链上各单元技术路径清晰；可分步实施(如先建设绿氨厂，再为现有的尿素装置供给绿氨)；工业级低能耗升级工艺已实现规模化应用，节能成效显著。其劣势在于该模式的能量转换链条长(电-氢-氨-尿素)，各环节存在能量损失，总能效有待提高；哈伯-博世法自身的高温高压工艺特性未改变，对设备与运行管理的要求较高；初始投资规模巨大，尤其是电解槽与配套可再生能源设施投资占比较高。

2.3.2 电催化直接合成路线

电催化直接合成路线是一条极具颠覆性的前沿技术路径，旨在“一步到位”，彻底绕过哈伯-博世法。该路径试图在单一电化学反应器(电解池)中，在温和的条件(常温、常压)下，通过催化剂实现碳源(如CO₂)和氮源(如N₂、$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$、$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$)的C-N偶联，直接生成尿素^[21-23]。然而，该技术的成熟度非常低，目前仍处于实验室基础研究阶段，但已建立多种高性能催化体系，展现出了良好的发展潜力。

该技术的优势：①流程极大简化。有望将复杂的多步高温高压过程简化为一步式常温常压电化学过程，理论上可大幅降低设备投资与操作复杂性。②分布式生产潜力。温和的反应条件使其非常适合与分布式可再生能源(如农场光伏)结合，实现小型化、模块化的“即产即用”生产模式，颠覆现有大规模集中式供应链^[20]。③理论能效高。绕过了哈伯-博世法，避免了其高能耗问题，理论上具有更高的原子经济性与能源效率；部分体系已实现尿素产率最高达31.8 mmol/(h·g)，法拉第效率最高达55.4%。

该技术的劣势：①科学挑战较大。C-N偶联的活化能垒较高，选择性控制难度极大。在目前的研究中，尿素产率和法拉第效率普遍较低，距离工业化应用存在显著差距^[24-25]。②催化剂开发瓶颈。开发出高活性、高选择性、高稳定性的催化剂是该技术成功的核心。③产物分离困难。该技术下的反应产物复杂且尿素含量低，如何从电解液中低成本、高效率地分离提纯尿素是亟需解决的难题。

2.3.3 无催化剂/低能耗合成路线

此技术是2025年新兴的重要创新方向，核心突破集中在微液滴界面反应与废水资源化利用两大场景，彻底摆脱了传统工艺对高温高压与催化剂的依赖。此模式的技术构成包括微液滴界面自发合成技术和电化学废水资源化工艺，前者利用液滴表面微环境或界面强电场效应驱动反应，后者以工业废水中碳氮污染物为原料实现协同转化。目前该技术仍处于实验室验证或中试探索阶段。

其优势有以下几个方面：①反应条件温和。反应均在常温常压下进行，无需高温高压设备，操作简单。②环境效益突出。无催化剂二次污染问题，废水资源化工艺可实现“以废治废”，氨逃逸率可降至0.05%以下，生产1 t尿素可减少1.2 t的CO₂排放。③选择性优异。微液滴合成技术的尿素选择性大于99%^[26]。其劣势在于：①规模化难度大。微液滴合成产物浓度较低(40 mmol/L)，放大效应问题待解决。②适配性要求高。废水资源化工艺对废水水质要求较高，处理规模有限。

绿氨路线是现实可行的渐进式改良方案，结合工业级低能耗工艺升级，将成为未来10~20年绿色尿素发展的主流方向；电催化直接合成路线是具有颠覆性的长远技术愿景，其突破依赖于基础科学的重大进展；无催化剂/低能耗合成路线为特定场景提供了差异化解决方案，有望在资源循环领域发挥重要作用。三条路径的协同推进，将共同重塑尿素合成技术的未来格局。

3 关键绿色技术深度解析

3.1 绿氢制备：电解水技术

电解水是绿氨路线的起点，其成本与效率直接决定整个绿色尿素产业链的经济可行性，主要技术类型及特征如下。

(1) 碱性水电解(AWE)：该技术最为成熟，成本最低，但动态响应速率慢，电流密度较低。

(2) 质子交换膜水电解(PEM)：动态响应速率快，电流密度高，体积紧凑，与波动性可再生能源匹配度好，但依赖铂、铱等贵金属催化剂，生产成本较高。

(3) 固体氧化物水电解(SOEC)：在高温(＞600 ℃)下进行，电效率最高，可回收利用化工过程废热，但材料与系统长期稳定性仍面临挑战。

目前，AWE和PEM技术已在百兆瓦级项目中得到应用，随着技术进步与规模化生产，电解槽成本持续下降，为绿氢的大规模生产奠定了基础。

3.2 绿氨合成：柔性哈伯-博世工艺

将哈伯-博世工艺与波动性绿氢供应相结合，催生了“柔性氨合成”概念。传统氨合成装置设计为“24/7模式”连续稳定运行，频繁启停或大幅调整负荷会导致催化剂失活、设备寿命缩短。柔性氨合成技术通过三方面创新实现适配：①改进催化剂性能，提升其对温度波动与原料气中杂质的耐受性；②优化反应器结构设计；③升级过程控制系统，使装置能够在30%~100%负荷范围内正常运行，适配可再生电力的间歇性特征。

3.3 电催化尿素合成：从实验室到工业化的挑战

电催化尿素合成是当前化学与材料两大领域的研究热点，兼具机遇与挑战。2025年，在催化剂设计与反应机制研究方面取得了多项突破性进展。

3.3.1 反应机理与催化剂设计

电催化尿素合成的核心是在催化剂表面，利用电能活化氮、碳物质并驱动C-N偶联，直接生成尿素。根据氮源差异，主要反应路径包括：

(1) N₂-CO₂偶联。该反应直接利用空气中的氮气，是最理想的反应路径。但N₂分子中的 $\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$ 三键键能高达941 kJ/mol，其活化难度极大。

(2) $\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$偶联。在N₂-CO₂偶联、$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$偶联与$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$偶联这三类体系中，$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$偶联因氮源更易活化，成为当前最受关注的研究方向。该路径可将工业废水中的硝酸盐污染物转化为高附加值的尿素，实现“以废治废”。

(3) $\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$偶联。$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$作为$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$还原的中间体，其偶联反应也备受关注。

高效C-N偶联的实现依赖于催化剂的精准设计，近年来的研究热点包括：

(1) 单原子催化剂。将金属原子以单个原子的形式分散于载体表面，实现原子利用率最大化。其独特的电子结构与配位环境可有效调控反应中间体的吸附-脱附行为，提高反应选择性。Liu等^[27]研制的Cu-N₃单原子催化剂，在电场作用下可原位重构为双位点结构，其配位环境能有效调控催化反应过程；研究团队结合原位表征技术与密度泛函理论计算，阐明了CO与NH中间体的吸附-脱附行为；通过提升反应选择性，实现了中间体(CONH)的定向耦联路径，最终获得尿素产率19 597.65 mg/(h·g)、法拉第效率55.4%的优异性能。

(2) 缺陷工程。在碳材料、金属氧化物等催化剂材料中人为引入缺陷(如空位、掺杂)，这些缺陷位点往往具有独特的几何与电子特性，可成为活化CO₂、N₂等反应物的高活性活化中心。有研究报道，通过在In(OH)₃纳米线上构建氧空位，可显著提升CO₂和$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$的吸附与活化效率，实现高达51.0%的法拉第效率^[21]。

(3) 复合催化剂。Chen等^[28]构建的复合催化剂Ni-PDA@g-C₃N₄，通过Ni-O-C界面调控优化中间体吸附能垒，氮选择性达55.78%，且在连续运行100 h后，活性保持率超过90%，解决了传统催化剂稳定性不足的问题。

(4) 单原子合金催化剂。Wang等^[29]通过原位电化学重构Pd₁-Cu₂Te纳米片，成功合成原子级Pd桥接的Cu/Cu₂O(Pd₁-Cu/Cu₂O)单原子合金催化剂。原位光谱分析和理论计算表明，Pd₁-Cu/Cu₂O催化剂中的Pd-Cu双位点能够调控CO₂和$\mathrm{N}_2+3 \mathrm{H}_2 \rightleftharpoons 2 \mathrm{NH}_3$的还原动力学，平衡关键中间体CO与NH₂的生成，显著降低C-N偶联能垒，从而促进高效尿素的合成。在电催化尿素合成中，该催化剂展现出31.8 mmol/(h·g)的尿素产率与42.2%的法拉第效率，且在连续运行100 h后，活性无明显衰减，其性能处于当前电催化尿素合成领域的前列。

(5) 双金属/合金催化剂。利用两种或多种金属间的协同效应，调节催化剂表面电子结构，优化对不同反应中间体的吸附能，从而打破单一金属的性能局限，促进C—N键形成。

(6) 硫掺杂纳米催化剂。新型CuS/S-RGO纳米花催化剂通过硫掺杂形成sp³杂化态碳键，增强CO₂吸附亲和力(ΔG=-1.85 eV)，同时利用Cu²⁺/Cu⁺氧化态动态平衡进一步抑制析氢反应。在-0.7 V(相对于可逆氢电极的电位)条件下，尿素产率可达10.85 mmol/(h·g)，较2024年文献中的最高值提升18.3%，200 h连续运行后的累积产率仍保有92%的活性^[30]。

(7) 离子液体强化策略。Yin等^[31]提出“离子液体桥”强化策略，利用离子液体独特的分子间相互作用，同步锚定催化剂活性位点与富集CO₂、硝酸盐反应物，缩短关键中间体的空间间距，协同加快反应速率并促进C-N偶联，使尿素生成速率达140 μmol/(h·cm²)。

(8) 金属有机框架。金属有机框架规整的孔道结构与可设计的金属中心为构建高效催化剂提供了理想平台，该框架既可作为催化剂，也可作为前驱体，通过热解转化为具有特定结构的金属/碳复合催化剂^[3]。

3.3.2 性能指标与瓶颈

电催化尿素合成包括以下几个关键性能指标：

(1) 法拉第效率。指用于生成目标产物(尿素)的电量占总通过电量的百分比。法拉第效率可以直接反映电流的利用效率，是衡量催化剂选择性的核心指标。目前文献报道的法拉第效率存在较大差异，范围从百分之几到80%以上，最高可达89.3%^[32-34]。然而，高法拉第效率往往难以与高产率实现兼顾，且法拉第效率的长期稳定性仍需进一步验证。

(2) 尿素产率。指单位时间、单位质量的催化剂(或单位电极面积)生成的尿素量，单位通常为mmol/(h·g)或μg/(h·cm²)，是衡量反应速率的关键指标。目前，实验室报道的最高产率已达106.9 mmol/(h·g)^[33]，但距工业化应用仍有巨大差距。

(3) 能耗。指生产单位质量尿素所消耗的电能，单位为kW·h/kg，是决定经济性的核心因素。有研究报道，在特定条件下已实现18.9 kW·h/kg的超低能耗^[32]，展现出了与传统方法竞争的潜力，但大多数情况下的能耗仍处于较高水平。

(4) 稳定性。指催化剂在长时间电解过程中保持活性与选择性的能力，这是工业应用的基本要求，但目前多数高效催化剂仅完成数十小时内的稳定性验证测试。

目前，电催化合成技术仍存在核心技术瓶颈，其面临的根本性挑战是“选择性-活性”的内在矛盾，电解过程中存在析氢、CO₂还原为CO或甲酸、含氮物质过度还原为氨等多种竞争性副反应。通过对催化剂的设计来抑制所有副反应，同时又精准地促进C—N键形成，是该领域的核心科学问题。此外，该技术的反应机理尚未完全明确，产物检测与量化方法仍存在争议，从实验室“反应瓶”到工业级“反应器”放大过程中所面临的传质、工程等问题，均是亟待解决的关键瓶颈^[24-25]。

3.3.3 碳减排潜力与经济性初步评估

尽管面临诸多挑战，电催化合成尿素的长远发展前景仍极具吸引力。理论上，若采用100%的可再生电力，该过程便可实现零碳排放。其经济性高度依赖于电价、催化剂成本与能量效率。早期成本估算显示，电解水制尿素的资本成本与电力消耗是该技术的主要制约因素^[35]。但随着可再生能源成本的下降与催化技术的进步，其经济可行性正在逐步提升，开展全面的技术经济分析(TEA)对于准确评估其未来竞争力至关重要^[36]。

3.4 无催化剂/低能耗合成技术

无催化剂、温和条件下的尿素合成技术规避了催化剂成本与二次污染的问题，成为当前研发的重要方向，其核心突破集中在微液滴界面反应与废水资源化利用两大场景。

3.4.1 微液滴界面自发合成技术

Mohajer等^[26]的研究揭示了环境条件下尿素自发合成的新机制：利用光学镊子捕获半径为2 μm的氨水微滴，暴露于0.05~0.10 MPa气体中，30 min内即可生成浓度达40 mmol/L的尿素，无需催化剂与外部能量输入。该过程的核心是液滴表面约1 nm厚的亚表层形成pH梯度，该梯度较体相pH低2个单位，从而构建局部酸性微环境，使CO₂与游离NH₃生成中性氨基甲酸中间体，再经第二分子NH₃加成、脱水形成尿素，解决了传统体相反应中酸碱条件互斥的困境。

Bose等^[37]的补充研究进一步拓展了该技术的应用场景：以CO₂作为雾化气体，将水性微滴中的硝酸盐转化为尿素。这是一种简单、一步选择性的工艺，无需催化剂、外部电势或辐射，由气体-水界面的电场驱动反应，水性微滴提供转化的氢源。优化参数后，尿素最高生产率约为118 μmol/(L·h)，选择性＞99%。机理研究证实，气体-水界面的强电场效应(电场强度达10⁹ V/m)可显著降低反应活化能，驱动CO₂与含氮物质的定向耦合。此外，机械化学方法也取得了突破，利用ZrO₂研磨罐机械诱导产生的氧空位催化氨水与CO₂反应，显著降低了NH₂中间体生成与氨基甲酸分解的能垒，为无溶剂、温和条件合成提供了新路径^[38]。

3.4.2 废水资源化工艺

Chen等^[39]开发的电化学废水资源化技术，以工业废水中的碳氮污染物(如硝酸盐、有机碳)为原料，实现了尿素合成与废水处理的协同一体化。该技术通过优化电极结构与电解参数，尿素产率达3 182.7 μg/(h·mg)，电耗较传统工艺降低60%。其核心优势在于：①原料成本显著降低，硝酸根原料成本从0.08美元/mol降至0.02美元/mol；②环境效益突出，生产1 t尿素可减少1.2 t的CO₂排放，氨逃逸率降至0.05%以下；③实现了“以废治废”，同步解决了工业废水处理与尿素生产，契合循环经济发展趋势。

3.5 工业级低能耗工艺升级

面向工业化应用，尿素合成的工业工艺聚焦于设备创新与流程优化，以满足《合成氨行业节能降碳专项行动计划》中的能效标杆水平要求，推动成熟技术的规模化落地。

中国五环工程有限公司自主研发的第二代低能耗尿素工艺已成为行业标杆，该工艺通过两大核心创新突破能耗瓶颈：一是创新全冷凝反应器设计，强化甲铵生成反应的热量回收，提升能量利用效率；二是优化高压圈流程，简化物料循环路径，降低流体输送能耗。该工艺将生产1 t尿素消耗的蒸汽降至562.9 kg，较传统工艺降低约25%，且氨利用率提升至99.8%。该技术目前已实现规模化推广，累计应用于30余套装置，总产能超25 000 kt/a，覆盖国内主要尿素生产企业，为行业节能降碳提供了成熟的工程方案。

此外，工业工艺升级还呈现三大趋势：一是大型化关键设备推广，高效变频电机、大型气流床气化炉等设备的应用进一步降低了单位产品的能耗；二是余热余压回收利用，全废锅流程、余压发电系统实现了能量的梯级利用，部分装置余热回收率达85%以上；三是数字化优化，通过全流程智能调节、在线实时优化模型，实现反应条件的动态调控，降低了操作波动带来的能量损失。未来，工业工艺将进一步向“绿电+绿氢”耦合方向转型，推动尿素生产从化石能源依赖向可再生能源驱动转变。

4 全球绿色尿素产业实践案例分析

全球主要经济体正根据自身的资源禀赋、产业基础与政策环境，探索形成了各具特色的尿素产业绿色转型之路。

4.1 中国：传统改造与前沿探索并行

作为全球最大的尿素生产国与消费国，中国的转型路径呈现出“存量改造”与“增量创新”双轮驱动的特征。

4.1.1 传统尿素合成的节能降碳改造

面对庞大的传统产能，中国将存量装置的节能降碳作为首要任务，主要包括以下几项措施。

(1) 原料结构优化。推动以煤为原料的尿素企业向清洁高效现代煤化工转型，采用先进的粉煤加压气化技术替代传统的固定层气化技术，以提升能源转换效率。

(2) 工艺流程优化。推广应用等温变换、低压氨合成和高效CO₂脱除技术(如NHD脱碳)等节能技术，持续降低合成氨与尿素生产的单位能耗^[11]；深化全厂范围的能量系统优化，实现热、电、水的梯级利用和循环利用，最大限度回收低品位余热。

(3) 碳捕集、利用与封存(CCUS)技术应用。鼓励尿素企业捕集生产过程中富余的CO₂，用于油田驱油、食品级CO₂生产及可降解塑料(聚碳酸亚丙酯)合成等，将碳排放转化为经济效益。部分大型煤化工项目已将CCUS作为标准配置^{[10, 13]}。

4.1.2 电催化尿素合成的试点探索

在基础研究领域，中国学者在电催化尿素合成领域的表现非常活跃，产出了大量高水平的研究成果。如“离子液体桥”强化策略^[31]、Cu-N₃单原子催化剂^[27]以及Pd₁-Cu/Cu₂O单原子合金催化剂^[29]等，在新型催化剂设计、反应机理探索等方面处于国际前沿。但根据公开搜索结果，目前尚未有关于中国电催化尿素合成技术进入中试阶段的具体项目报告，包括其装置规模、运行参数及成本效益等关键数据仍缺乏公开披露(基于对相关查询的负面结果分析)，这一现状折射出该技术从实验室研发迈向工业化应用的共性挑战。尽管如此，结合中国在新能源和化工领域的产业实力及对前沿技术的重视程度，可合理推断，部分领先研究机构和企业正开展内部小规模试点验证工作。这些探索对于积累工程经验、验证放大效应以及评估长期稳定性与经济性至关重要，是连接基础研究与未来工业化应用的关键桥梁。行业技术人员应密切关注相关领域的专利布局与学术会议披露的非正式信息，以捕捉产业化的早期信号。

4.1.3 无催化剂合成与废水资源化探索

中国在无催化剂合成与废水资源化领域也开展了积极探索。Chen等^[39]的电化学废水资源化技术实现了尿素合成与废水处理的协同一体化，尿素产率达3 182.7 μg/(h·mg)，电耗比传统工艺降低60%，氨逃逸率降至0.05%以下，为工业废水处理与尿素生产的资源循环提供了可行方案。

4.2 欧洲各国：政策驱动下的绿色化工示范

欧洲凭借其强有力的气候政策与雄厚的科研实力，在绿色化工领域处于全球领先地位。欧盟通过构建完善的政策框架，为绿色化工发展提供了坚实的支撑。

(1) 欧盟绿色协议。设定了2050年实现碳中和的宏伟目标，并通过一揽子政策工具推动各行业深度脱碳。

(2) 碳定价。欧盟碳排放交易体系覆盖了包括氨在内的大宗化学品生产，近年来的碳价维持在80~100欧元/t的高位，为低碳技术提供了强大的市场刺激^[31]。

(3) 创新基金。欧盟设立了规模达数百亿欧元的创新基金，专项资助绿氢、CCUS和可持续化学品等突破性低碳技术示范项目。

(4) 研究与创新框架。通过“地平线欧洲”(Horizon Europe)等科研资助计划，持续对基础研究与前沿技术探索进行投入。

此外，欧洲绿色尿素/氨领域的示范项目也在有序推进。尽管大型商业化绿色尿素工厂在欧洲也尚未出现，但一系列以绿氨为核心的示范项目已经启动，并涌现出一些更具前瞻性的研究项目。如欧洲创新委员会资助的CONFETI项目，旨在开发一种革命性技术，实现从空气中的N₂与烟气中的CO₂直接合成尿素的目标^[40]。该项目计划采用光催化或等离子体催化等非传统活化手段，在温和条件下驱动N₂与CO₂的转化，从而彻底绕过哈伯-博世法和电解水制氢环节，其愿景是构建一个循环且可持续的碳-氮经济体系。目前该项目仍处于实验室技术开发阶段，属于高风险、高回报的前瞻性研究。其虽未形成可示范的工厂，但清晰反映了欧盟在尿素合成领域的技术布局思路—不仅聚焦于“绿氨”路线，更在积极探索能够彻底颠覆现有技术范式的新一代方案。

除了CONFETI这类探索性项目，欧洲多地正在规划或建设多个大型绿氨项目(如西班牙的Hydeal Ambition、荷兰的NortH₂等)，这些项目未来将为下游的绿色尿素生产提供原料保障。欧盟的核心策略是通过强政策激励与持续性研发投入，构建完整的绿色化工产业链。

4.3 美国：市场与创新双轮驱动的研发路径

美国的绿色转型路径更多地突出市场激励与技术经济可行性评估相结合，展现出鲜明的市场化特征。其具体实践主要体现在政策激励、市场导向及创新研发等三个方面。

(1) 政策激励与市场环境的构建。2022年通过的《通胀削减法案》(IRA)是美国历史上最重要的气候法案，通过提供慷慨的税收抵免重塑绿色技术的经济格局，其中：第45V项条款为“清洁氢气”生产可提供最高达3美元/kg的补贴，使绿氢在美国部分地区具备与传统“灰氢”竞争的价格优势；第45Q项条款的税收抵免大幅提高了对碳捕集与封存/利用的补贴额度。这两项条款的叠加，为“绿氢+CCUS”模式的绿氨与绿色尿素项目创造了前所未有的投资吸引力^{[16, 41]}。

(2) 市场导向特征。相较于欧洲的顶层政策设计，美国更倾向于通过市场激励措施，引导私人资本投向最具经济潜力的技术和项目。

(3) 基于TEA的前瞻性设计。尽管公开检索结果中未发现美国能源部或国家实验室主导的特定绿色尿素研发项目(基于对相关查询的负面结果分析)，但大量学术研究(尤其是详细的TEA报告)揭示了美国在该领域的研发思路与关注焦点。这些TEA研究本身就可视为重要的“创新研发案例”，典型代表是小型化、分布式“Power-to-Green Urea”工厂的技术经济分析。这些研究的技术路线通常基于一个标准的“绿氨路线”模型：光伏电站-PEM电解槽制氢-空分制氮-小规模哈伯-博世合成氨-Stamicarbon工艺合成尿素^{[8, 20]}。研究中利用Aspen Plus等流程模拟软件搭建详细的工厂模型，精确计算物质流与能量流，并在此基础上进行全面、详细的经济评估，包括总资本投资、运营成本、净现值及最低尿素销售价格(MUSP)^{[8, 20]}。核心结论：①从经济层面来看，小型绿色尿素工厂的MUSP约为0.71美元/kg，高于当时传统尿素的市场价，存在“绿色溢价”^[8]。②从成本构成与敏感性层面来看，电力成本与电解槽资本支出是总成本最主要的组成部分。MUSP对氢气价格(即电价与电解槽效率)表现出极高的敏感性^[8]。IRA提供的补贴能够显著降低氢气成本，从而大幅提升项目的经济可行性。③从市场定位来看，尽管该模式在大型商品市场竞争力不足，但此类小型分布式绿色尿素工厂在偏远地区(如远离大型化肥厂的农业区)具备独特竞争优势，可利用当地廉价可再生资源，减少对长途物流的依赖，为当地农业提供稳定、可预测的化肥供应^[20]。

这种以详尽TEA为先导的研发模式，反映了美国注重评估技术的市场潜力与商业模式创新能力的特点。其核心并非直接投入巨资建设示范工厂，而是通过精准模拟与计算，为潜在投资者和政策制定者提供决策依据，识别出最具商业化前景的技术路径和市场切入点。

5 经济性、产业链与未来展望

5.1 绿色尿素的成本构成与经济性分析

绿色尿素能否实现对传统尿素的规模化替代，最终取决于其经济可行性。

对于当前最可行的“绿氨路线”，其成本主要由资本支出和运营支出等两部分构成。

(1) 资本支出。主要包括可再生能源电站(光伏/风电)、电解水装置、空分装置、氨合成回路和尿素合成回路等，其中电解槽投资占比显著。

(2) 运营支出。电力成本是绝对的主导因素，通常占总运营成本的50%~70%，甚至更高。因此，获取廉价、稳定的可再生电力是项目成功的关键。

对于电催化合成、无催化剂合成等新兴技术，催化剂成本(电催化合成)、设备放大投资(无催化剂合成)、产物分离成本等构成额外的成本因素，当前阶段的整体成本高于传统工艺与绿氨路线的。

在“绿色溢价”及其消减路径方面，目前绿色尿素的生产成本普遍高于基于廉价天然气的传统尿素的，形成了“绿色溢价”^[42]。缩小这一差距的核心路径包括：

(1) 技术进步。降低电解槽成本，提升其效率与使用寿命；开发更高效的柔性氨合成技术；优化电催化剂性能，减轻对贵金属的依赖；突破无催化剂合成的规模化技术瓶颈。

(2) 规模效应。通过建设吉瓦级绿氢/绿氨项目，摊薄单位投资成本；推动工业级低能耗工艺的大规模应用，进一步降低能耗与生产成本。

(3) 降低可再生能源成本。光伏与风电成本的持续下降是降低绿色尿素成本的根本性利好。

(4) 政策工具。碳税或碳交易体系可以提升传统尿素的环境成本，而对绿色尿素的补贴(如IRA)则可直接降低其生产成本，二者的协同作用可加速削减“绿色溢价”。

5.2 产业链重构：从集中式到分布式

绿色转型将深刻重塑尿素工业的地理布局和供应链模式。在传统模式下，基于化石能源的尿素生产倾向于在大型港口、油气资源富集区或煤炭基地建设超大规模的一体化工厂，产品通过复杂的物流网络分销至全球。而未来的模式则呈现出不同的发展特征，具体包括：①依托大型可再生能源基地(如沙漠光伏、海上风电)，仍会涌现一批世界级的绿色氨/尿素生产中心。②如美国TEA案例所示，小型化、模块化的绿色尿素装置可部署在靠近终端用户的农业地区，形成“前店后厂”模式。电催化合成、无催化剂合成等技术成熟后，将进一步推动分布式生产的发展，可减少物流成本和运输过程中的碳排放，增强供应链韧性，为农户提供定制化服务。这标志着尿素产业从“全球化、集中化”向“区域化、分布式”的范式转变。③废水资源化等技术的发展，将推动尿素产业链与工业废水处理行业的融合，形成“污染物-原料-产品”的循环型产业链，提升资源利用效率。

5.3 技术发展路线图与挑战

展望未来，尿素生产技术绿色转型将遵循循序渐进的发展路径，可分为短期、中期和长期等三个阶段，各阶段有着明确的发展重点、核心任务与挑战。

(1) 短期(现在—2030年)：大规模部署“绿氨路线”与工业级低能耗工艺升级。重点是建设吉瓦级绿氢项目与配套绿氨工厂，推动新建绿氨厂落地，并探索对现有尿素装置的改造，使其具备接收绿氨和捕获CO₂的能力；持续推广第二代低能耗尿素工艺等成熟节能技术，提升行业整体能效水平。核心挑战包括融资、可再生能源并网与电网协调及柔性化工生产技术的成熟度；工业装置改造的成本控制与技术适配性。

(2) 中期(2030—2040年)：一体化大型绿色尿素工厂逐步成为主流；电催化直接合成技术有望实现首个中试规模示范项目；无催化剂合成技术突破规模化瓶颈，在特定场景实现小规模应用；新建项目将普遍采用完全集成的“Power-to-Urea”设计。核心任务是持续降低绿氨生产成本，并逐步解决电催化技术从中试到商业化规模的工程放大问题，优化无催化剂合成的产物浓度与生产效率。

(3) 长期(2040年及以后)：电催化直接合成技术可能实现商业化突破，成为颠覆性技术力量；无催化剂合成、废水资源化等资源循环技术广泛应用；大规模集中式生产与小型分布式生产并存，后者可能成为农业地区主流模式。核心任务是解决电催化技术的成本、效率与稳定性问题，使其达到商业化要求，并建立完善的分布式生产的产业链与服务体系；建立健全资源循环利用的行业标准与规范。

5.4 政策与标准：护航绿色转型

政策和标准是引导和保障尿素产业绿色转型的关键支撑。在未来，应强化碳定价，持续、稳定且足够高的碳价是推动企业转型最有效的市场信号。此外，还应制定明确的“绿色”标准，建立国际公认的“绿氨”“绿色尿素”认证标准，明确生产过程的碳足迹阈值，防止“洗绿”行为；制定废水资源化、无催化剂合成等技术的行业标准与评估体系。

提供精准的初期支持也是推动产业绿色转型的重要举措。在技术与市场成熟初期，通过税收抵免、直接补贴、风险担保等政策支持示范项目，帮助企业跨越初期的“死亡之谷”；重点支持电催化、无催化剂合成等前沿技术的研发与中试转化。同时，还应注重国际合作，在标准制定、技术研发与绿色贸易规则等领域加强国际协调，避免绿色壁垒，共同推动全球化肥工业的可持续发展。

6 结语

尿素合成技术历经百年演进，从传统高温高压工艺到如今多元化绿色创新，实现了从“规模优先”向“绿色高效”的战略转变。传统哈伯-博世法与博世-迈塞尔法奠定了尿素工业化的基础，在支撑全球农业发展、保障粮食安全的同时，也带来了高能耗、高排放的沉重代价。在全球碳中和目标与行业政策驱动下，尿素工业的绿色转型已势不可挡，形成了多条技术路径协同发展的格局。

当前，以“绿氨路线”为核心的渐进式改良方案，结合工业级低能耗工艺升级，是最具现实可行性的选择，该模式已通过规模化应用展现出显著的节能降碳成效；以电催化直接合成技术为代表的颠覆式创新路线，虽仍处于实验室阶段，但已在催化剂设计与反应机制研究上取得重大突破，表现出常温常压、高效低碳的巨大潜力；无催化剂合成与废水资源化技术则开辟了资源循环利用的新路径，为特定场景提供了差异化解决方案。中国、欧盟和美国的产业实践虽各有侧重，但均围绕上述核心技术路径，推动尿素产业向绿色化、高效化、资源化方向转型。

尿素产业的绿色转型绝非单一技术的孤立突破，而是涉及能源、化工、农业、政策与金融的复杂系统工程。这一过程需要突破性的技术创新来降低成本，需要强有力的政策框架提供引导与保障，更需要产业链上下游的协同合作以重构商业模式。未来，随着绿氨路线的规模化推广、电催化合成技术的工程化突破以及无催化剂合成与废水资源化技术的广泛应用，尿素行业有望实现“能效达到国际先进水平、碳排放显著降低、资源循环利用”的发展目标。通过学术研究与工业实践的深度融合，以及政策与市场的协同驱动，尿素合成技术将迎来新一轮产业革命，为全球粮食安全与可持续发展提供核心支撑。

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