重大突破！普林斯頓大學：無碳氨合成生產(chǎn)肥料的方法或?qū)⒚媸溃?

哈伯-博世氨合成工藝可以說是20世紀最重要的工業(yè)進步之一，它創(chuàng)造了大規(guī)模生產(chǎn)化肥的方法，從根本上克服了糧食短缺，施化肥從此成為用于加強世界各地糧食的收成重要方法。但是，氨的生產(chǎn)（硝酸銨肥料的主要原料）在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一種有問題的副產(chǎn)品：二氧化碳。大量的碳：每噸化肥產(chǎn)生兩噸以上的碳。據(jù)估計占了全球二氧化碳排放量的1.4%。因此，這一過程在對抗大規(guī)模饑餓的同時，也開始增加地球上溫室氣體的負擔。

現(xiàn)今擺在科學家面前的主要目標之一是使糧食生產(chǎn)與碳脫鉤。在某種程度上，這意味著找到一種通過無碳氨合成來生產(chǎn)肥料的方法，沒有哈伯-博世法案能做到嗎？普林斯頓大學的愛德華茲·桑福德(Edwards S.Sanford)化學教授保羅·奇里克(Paul Chirik)以一種獨特、基本的方法合成化學鍵，朝著這一可能性邁出了重要的一步。使用可見光來驅(qū)動弱元素氫鍵的形成，這是挑戰(zhàn)的核心，因為它們太難制造了，該實驗室的概念驗證論文發(fā)表在《自然化學》期刊上。

其研究論文列出了一種簡單的方法，即在銥催化劑上照射藍光，使其能夠在熱力學勢能或接近熱力學勢的情況下形成弱鍵沒有碳副產(chǎn)品（也就是說，沒有大量的能量消耗）。這里的重大突破是能夠利用光線，然后促進化學反應，形成一種非常弱的鍵，這是沒有外部刺激就做不到的。在過去，這種刺激是伴隨著浪費或耗電，現(xiàn)在用光來做到這一點。這個金屬催化劑世界做出了令人驚嘆的事情，制造了氨，制造了藥物，制造了聚合物。

現(xiàn)在，當研究人員開始研究這些催化劑吸收光線時會發(fā)生什么時，可以用它們做更多的事情。所以，你吃的東西以前確實產(chǎn)生了很酷的化學作用，然后你又用50千卡路里的熱量榨汁。所以一個全新的世界打開了，突然之間，可以考慮做出一種新的反應。E-H鍵只是一種表示氫和另一種元素之間可能形成的鍵的方式。E-H鍵的強度高度依賴于每種元素的化學結(jié)構(gòu)，但其中許多鍵是弱不穩(wěn)定的，容易斷裂并形成氫(H2)。

重大突破是能夠利用光線

大多數(shù)化學反應是由強鍵的形成推動，因為當形成更穩(wěn)定的產(chǎn)物時會釋放能量。構(gòu)成挑戰(zhàn)的是薄弱紐帶的集結(jié)。研究的實驗室已經(jīng)找到了一種方法，可以通過照射催化劑（在這種情況下是銥）來形成弱鍵。其原理是這樣的：研究人員選擇了一種具有代表性的有機分子--蒽，它充當了一種在反應燒瓶內(nèi)進行化學反應的平臺。將藍色光照射到燒瓶內(nèi)的銥上會讓它“激發(fā)”，這意味著它有能量來驅(qū)動反應。

在這種狀態(tài)下，它會撞上蒽分子，并轉(zhuǎn)移一個氫原子，形成一個弱鍵。銥催化劑然后激活氫氣，完成這個循環(huán)。利用氫氣代替碳基氫源（過去在有機合成中廣泛使用）有可能提供一種可持續(xù)的方式，在不產(chǎn)生碳副產(chǎn)品的情況下形成弱化學鍵。研究還確定了元素周期表中哪種金屬催化劑在執(zhí)行所需反應方面最有效。從之前用銠（另一種稀有、昂貴的金屬催化劑）開始的實驗室工作開始，很快就把重點放在了銥上。

雖然科學家們還沒有準備好拋棄哈伯-博世的方法，但新研究實驗的概念驗證是重要的早期步驟。雖然還沒有催化合成氨，要實現(xiàn)這個目標，還有很長的路要走，但學習如何制造這些弱化學鍵的想法也很重要。奇里克表示：我喜歡這項研究的一點是，它與眾不同，它是基礎化學，就像你能得到的一樣基礎。明天沒有人會在這項研究上開設工廠。但我們對這個概念真的很興奮，我們真的希望其他研究人員在其他情況下也能做這項化學研究。

博科園｜研究/來自：普林斯頓大學

發(fā)表期刊《自然化學》

DOI: 10.1038/s41557-021-00732-z

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