现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S2) : 6-11. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S2.002

专论与评述

基于专利分析的合成氨催化剂发展态势研究

史侠星 ¹ ,
王月 ²^,^*

作者信息 +

Research on development trends of synthetic ammonia catalysts based on patent analysis

Xia-xing SHI ¹ ,
Yue WANG ²^,^*

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摘要

通过分析1900年以来全球合成氨催化剂专利现状,从专利申请趋势、专利申请人及专利地域布局、技术构成等维度,探究了该领域技术发展趋势。合成氨催化剂技术的发展历程中有两次较为显著的专利申请高峰期:第1次出现在20世纪20年代前后,其研究重点是适用于哈伯法的催化剂;第2次则始于2015年,这一阶段的研究重点转向了温和条件下的新型合成氨催化剂。现阶段围绕合成氨催化剂专利申请,国外以热催化技术为主,国内则以电催化技术为核心。

Abstract

Through analyzing the global patents situation of catalysts for synthetic ammonia since 1900,this study examines the technological development trends in this field from various dimensions,including patent application trends,geographical layout of patent applicants and patents,and technological composition.The technology development of synthetic ammonia catalysts has experienced two peaks of patent applications.The first peak arose around 1920,which focusing on the catalysts for Haber-Bosch process,and the second peak started 2015,which focused on novel catalysts for ammonia synthesis under mild conditions.Currently,global patent applications about synthetic ammonia catalysts are dominated by thermal catalysis technologies,whereas electrocatalysis technology has emerged as the predominant research focus and core technology in China.

Graphical abstract

关键词

合成氨 / 热催化 / 电催化 / 专利 / 催化剂

Key words

synthetic ammonia / thermal catalysis / electrocatalysis / patent / catalyst

Author summay

史侠星(1989-),女,硕士,讲师,研究方向为基于人工智能的化工专利分析与创新管理,shixiaxing@tyut.edu.cn

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合成氨作为化学工业中的重要基石之一,自其工业化生产以来,便深刻地改变了全球农业的面貌,极大地促进了粮食增产^[1]。近年来合成氨的应用领域也在不断拓展。在新能源领域,氨作为一种高效、清洁的储氢载体,受到了广泛关注^[2-7]。此外,氨还可作为燃料电池的燃料,为交通运输、电力供应等领域提供绿色能源^[7-8]。

合成氨工业的发展离不开合成氨催化剂技术的持续革新与发展,合成氨催化剂从高温高压条件向低温低压条件逐步过渡^[9]。早期,哈伯法的提出与实施,标志着合成氨技术的工业化开端。哈伯法采用铁基催化剂,在高温高压条件下实现了氮气和氢气的有效转化^[10]。随着催化剂材料的不断研发与优化,低温低压催化剂应运而生,如钌基催化剂等^[11-12],这些新型催化剂不仅缓和了反应条件,还减少了能源消耗与环境污染^[7,13]。

进入21世纪,随着可再生能源的兴起,新型合成氨技术如电催化合成氨^[14-17]、光催化合成氨^[18-20]、等离子体合成氨^[21-22]、化学链合成氨^[23-25]等逐渐成为研究热点^[7,26-28]。电催化合成氨利用可再生能源产生的电能,水与氮气在催化剂作用下直接合成氨,实现了能源的高效利用。光催化合成氨则利用太阳光激发催化剂产生电子与空穴,促进氮气还原为氨,为合成氨提供了绿色、可持续的路径。等离子体合成氨则通过高能电子激发氮气分子,使其处于活化状态,易于与氢气反应生成氨,该技术具有反应速度快、条件温和等优势。

本文通过专利分析梳理合成氨催化剂技术的发展历程,并聚焦于当前领域内的技术关注重点及发展趋势,以期为合成氨催化剂技术的进一步突破提供参考。

1 专利申请趋势分析

本文对IncoPat数据库中1900年以来美国、中国、欧洲等126个国家和地区的专利进行了检索和筛查,截止时间为2025年1月8日,通过筛选与去噪后选择844件相关专利进行重点分析,研究了合成氨催化剂研究重点和未来发展趋势。

图1是从1900年至今合成氨催化剂领域的全球专利申请趋势图,从图中可以看出,合成氨催化剂的专利申请最早可追溯至一个世纪以前,标志着该领域技术研发的初始阶段。1918年至1927年间迎来了第一个申请高峰期。随后,从20世纪70年代至2014年,合成氨催化剂的年专利申请量基本维持在20件以下,这一阶段合成氨技术主要采用传统的哈伯法。然而,从2015年起,随着温和条件下合成氨技术的提出,研究重点开始转向电催化、光催化等新型合成氨催化剂,相关专利申请进入爆发式增长阶段,并于2023年达到峰值139件。这一趋势表明,近10年来,合成氨催化剂领域依然备受研究者关注,研究热度持续攀升。

图2是近20年合成氨催化剂技术的生命周期曲线图。从图中可以看出,2004年至2017年间,合成氨催化剂的技术研发生命周期曲线波动较大,表明该阶段新型催化剂技术的研发尚处于萌芽状态,技术路线尚未完全成熟。然而,自2018年起,专利申请量开始稳步上升,尽管在2021年出现小幅回落,但整体趋势表明,相关研究已逐渐成型,并进入快速发展阶段,研究热潮正在形成。

2 申请人分析

2.1 申请人排名

图3是2015年至今和1900年至今主要申请人申请专利的情况。从图中可以看出,排名前10的申请人相对固定,仅存在小范围的排名变化。在国内,主要申请人以高等院校为主,包括福州大学、济南大学、浙江工业大学、吉林大学等,此外中国科学院大连化学物理研究所也是主要申请人之一。国外的主要申请人则集中在日本,包括日本科学技术振兴机构、东京工业大学和日本产业技术综合研究所等机构。值得注意的是,从1900年至2025年1月8日,排名前10的申请人累计申请专利总量为207件,远低于该领域专利总申请量844件。这一现象表明,合成氨催化剂领域的专利申请分布较为分散,尚未形成明显的垄断格局。

2.2 中国申请人类型构成

图4展示了中国合成氨催化剂领域申请人的类型构成,反映了该领域的主要研发力量分布。从图中可以看出,高校在申请人中占主导,专利申请量占比高达72.51%,而科研单位和企业的专利申请量占比分别为12.65%和12.14%。这一分布表明,在中国合成氨催化剂技术的研究仍以高校为主导,基础研究在该领域占据主要地位,而企业和科研单位的研究相对较少,上述现象的原因是,虽然工业合成氨已十分成熟,但新型合成氨技术仍然停留在基础研究阶段,距离产业化较远。

3 申请人地域布局及趋势分析

3.1 全球和中国省市地域

表1和表2分别展示了合成氨催化剂技术在全球和中国的专利申请的地域分布情况,反映了该技术在不同国家和中国各地区的活跃程度。从表1可以看出,全球范围内合成氨催化剂专利技术的主要来源国排名依次为中国、美国和日本。其中中国在该领域的研发活跃度显著领先。从表2可以看出,中国范围内,合成氨催化剂领域专利保护排名前3的省份依次为江苏、福建和浙江。具体而言,江苏地区主要申请人包括常州大学等机构;福建地区主要以福州大学为代表;浙江地区则以浙江工业大学等为主要申请力量。这一地域分布表明,中国在合成氨催化剂技术领域的研发活动具有区域集中性。

3.2 中国省市申请趋势

图5展示了专利申请量排名前6的省市2015年至今的专利申请趋势。由图中可以看出,这些省市的专利申请量整体呈现上升趋势,其中江苏省的增长尤为明显。尽管从图3来看,在排名前10的申请人中,仅有位列第10名的常州大学位于江苏省,但江苏省不仅在专利总申请量上位居全国第一,其2015年至2024年的专利申请增长量也显著高于其他省市,表明江苏省在合成氨催化剂领域具有较高的研究活跃度。表3进一步列出了在合成氨催化剂领域江苏省专利申请量排名前3的申请人。从表中可以看出,江苏省的申请人主要有常州大学和江苏大学等。这些申请人的研究成果为江苏省在合成氨催化剂领域的技术积累和创新发展提供了重要支撑。

4 法律分析

4.1 专利许可分析

表4展示了近20年合成氨催化剂领域的专利许可名单。从表4可以看出,专利转让活动至2023年才有所进展,并且近年来获得许可的专利主要集中在电催化和光催化相关技术的合成氨催化剂及其合成方法上,这与当前研究热点和技术发展趋势相吻合。总体转让专利数量仅为7件,表明该领域的技术转化仍处于初步阶段。此外,在已转化的专利中,申请人以高校为主,进一步说明新型合成氨催化剂的研究目前仍以基础研究为主导,产业化进程刚刚起步。因此,未来在加强基础研究的同时,亟需深化校企合作,提升知识产权转化效率,推动基础研究成果向实际生产应用过渡。

4.2 专利转让分析

图6展示了合成氨催化剂领域1970年至今专利转让情况。从图中可以看出,自1977年第一件专利实现转让以来,合成氨催化剂专利的转让活动一直处于较低水平。截至2013年,年均转让专利数量不足1件,历史最高转让量仅为3件/年。自从2014年起,随着温和合成氨技术的发展,新型合成氨催化剂技术逐渐兴起,专利转让情况有所改善。然而,从整体来看,合成氨催化剂专利的转让数量仍然偏少,表明新型合成氨催化剂的产业化进程仍需进一步推进。表5进一步展示了合成氨催化剂专利的主要转让人分布情况。从表中可以看出,专利转让数量排名前4的转让人均来自国外,尤其是日本。结合表1的数据,尽管中国在合成氨催化剂领域的专利申请量位居全球首位,但在专利转化方面仍存在明显差距。这一现象表明,我国在合成氨催化剂专利转化效率方面仍有提升空间,未来需进一步加强专利转化能力,推动研究成果向实际应用过渡。

5 技术发展趋势分析

5.1 技术构成及趋势分析

表6展示了合成氨催化剂领域2025年和2014年的全球专利技术构成。从表中可见,传统的热催化技术长期占据主导地位,2014年其专利占比高达90.64%,成为该领域的核心研究方向。结合图7合成氨催化剂领域专利技术趋势图,然而2015年后这一格局发生显著变化,随着新型合成氨技术需求增长,光催化和电催化技术迅速发展,尤其是电催化技术发展迅速,截至2025年1月,电催化技术专利申请占比已跃升至40.76%,与热催化技术的41.59%仅相差0.83%。2015年后涌现的技术集群(包括等离子体催化、光电耦合催化、化学链催化及磁感应催化)已进入快速探索期。但需指出,这些新兴技术专利大部分集中于实验室阶段,距离产业化还较远。

5.2 功效矩阵分析

图8通过技术功效矩阵揭示了合成氨催化剂领域排名前10的技术功效分布。从图中可以看出,技术功效的研究焦点集中在复杂性、稳定性、效率和成本4大指标,这些技术功效和工业进程的核心需求高度匹配,表明该领域的技术发展以市场应用为导向。值得注意的是,不同催化技术在主导功效的表现上呈现差异化格局。对比热催化技术专利和电催化技术专利,尽管复杂性和稳定性均占据功效排名前3,但是热催化技术注重成本优化,而电催化技术则聚焦效率提升。这一差异源于技术成熟度与产业化进程的差距。热催化技术作为传统合成氨技术,已实现大规模工业化,因其技术成熟度和工业化程度高,降本增效是其主要研究方向。电催化技术作为新型合成氨技术,仍处于实验室阶段。因此,效率提升是其突破技术瓶颈的关键。技术功效分布的差异性侧面反映了技术生命周期的阶段性特征:热催化技术作为成熟技术,其研究已转向优化成本阶段;而电催化技术作为新型技术,仍处于突破性能瓶颈的基础研究阶段。

5.3 近年来国内外主要技术分析

表7揭示了合成氨催化剂领域国内外专利技术构成差异。从表中可以看出,中国在该领域的研究电催化技术相关专利占比已达51.57%,表明电催化技术已成为主导研究方向。相比之下,国外专利仍以热催化技术为核心,占比高达73.33%。这一格局与表6中2025年和2014年全球专利技术构成形成鲜明对比。2014—2025年,热催化技术全球占比已从90.64%下降至41.59%,而电催化技术则跃升至40.76%,技术更替趋势显著。而表7揭示的国内外占比差异,表明近年来电催化技术的增量主要来自中国,同样的,等离子体催化、光电催化、化学链、磁感应催化等新兴技术的专利申请主要来自中国,表明中国的研究者开始关注其他新兴合成氨催化剂技术。

6 结论

通过检索分析1900年至2025年1月国内外合成氨催化剂技术的专利现状,阐述并分析了该领域专利申请趋势、专利申请人及专利地域布局、技术分布和技术发展趋势,得出以下主要结论。

(1)合成氨催化剂技术历经两次申请高峰期:一次是1920年前后,以高温高压催化剂为核心主题;一次始于2015年,聚焦于电催化、光催化等新型合成氨催化剂,反映了可再生能源和“双碳”目标驱动下合成氨技术的转型发展。

(2)中国合成氨催化剂领域相关专利以基础研究主导,区域分布集中,专利转化亟待加强。合成氨催化剂专利技术仍以基础研究为主,高校申请人占比超50%,排名前10的申请人相对稳定。国内专利呈现区域集中性,申请量前3省份依次为:江苏、福建、浙江。但中国的合成氨催化剂在专利转化方面还有差距,新型催化剂相关专利在产业化方面仍需提升。

(3)技术路线多元化,电催化专利申请量接近热催化,新兴技术尚处于萌芽阶段。全球范围内,电催化技术专利申请占比从2014年的不足1%跃升至40.76%,接近热催化技术专利申请量的占比(41.59%)。等离子体催化、光电催化、化学链、磁感应催化等新兴技术虽快速发展,但占比不足10%,均处于实验室级研究,距离产业化应用有较大距离。

(4)国内外技术路线分化,国内在电催化合成氨领域具有更高的研究热度。国外研发以热催化技术为主导,聚焦成本、稳定性等功效。国内则以电催化技术为核心,近年来电催化技术的专利增量主要来自中国申请。

在新型合成氨催化剂领域,我国在电催化合成氨方向具有显著的研究活跃度,然而在等离子体催化、光电催化、化学链催化及磁感应催化等新兴技术领域,专利布局仍显不足。我国应巩固技术领先地位并抢占未来制高点,在专利布局上,双轨并行,即在强化电催化技术专利优势的同时加速新兴技术研发补足短板。同时,依托江苏、福建、浙江等优势区域,打造创新生态走廊,构建区域技术联盟,形成区域协同,提升研发效率。强化校企合作和技术转化,推动技术落地,打造“基础研究-中试-产业化基地”全链条生态环境,助力绿氢合成氨稳步发展。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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