重大突破！普林斯顿大学：无碳氨合成生产肥料的方法或将面世！

哈伯-博世氨合成工艺可以说是20世纪最重要的工业进步之一，它创造了大规模生产化肥的方法，从根本上克服了粮食短缺，施化肥从此成为用于加强世界各地粮食的收成重要方法。但是，氨的生产（硝酸铵肥料的主要原料）在生产过程中会产生一种有问题的副产品：二氧化碳。大量的碳：每吨化肥产生两吨以上的碳。据估计占了全球二氧化碳排放量的1.4%。因此，这一过程在对抗大规模饥饿的同时，也开始增加地球上温室气体的负担。

现今摆在科学家面前的主要目标之一是使粮食生产与碳脱钩。在某种程度上，这意味着找到一种通过无碳氨合成来生产肥料的方法，没有哈伯-博世法案能做到吗？普林斯顿大学的爱德华兹·桑福德(Edwards S.Sanford)化学教授保罗·奇里克(Paul Chirik)以一种独特、基本的方法合成化学键，朝着这一可能性迈出了重要的一步。使用可见光来驱动弱元素氢键的形成，这是挑战的核心，因为它们太难制造了，该实验室的概念验证论文发表在《自然化学》期刊上。

其研究论文列出了一种简单的方法，即在铱催化剂上照射蓝光，使其能够在热力学势能或接近热力学势的情况下形成弱键没有碳副产品（也就是说，没有大量的能量消耗）。这里的重大突破是能够利用光线，然后促进化学反应，形成一种非常弱的键，这是没有外部刺激就做不到的。在过去，这种刺激是伴随着浪费或耗电，现在用光来做到这一点。这个金属催化剂世界做出了令人惊叹的事情，制造了氨，制造了药物，制造了聚合物。

现在，当研究人员开始研究这些催化剂吸收光线时会发生什么时，可以用它们做更多的事情。所以，你吃的东西以前确实产生了很酷的化学作用，然后你又用50千卡路里的热量榨汁。所以一个全新的世界打开了，突然之间，可以考虑做出一种新的反应。E-H键只是一种表示氢和另一种元素之间可能形成的键的方式。E-H键的强度高度依赖于每种元素的化学结构，但其中许多键是弱不稳定的，容易断裂并形成氢(H2)。

重大突破是能够利用光线

大多数化学反应是由强键的形成推动，因为当形成更稳定的产物时会释放能量。构成挑战的是薄弱纽带的集结。研究的实验室已经找到了一种方法，可以通过照射催化剂（在这种情况下是铱）来形成弱键。其原理是这样的：研究人员选择了一种具有代表性的有机分子--蒽，它充当了一种在反应烧瓶内进行化学反应的平台。将蓝色光照射到烧瓶内的铱上会让它“激发”，这意味着它有能量来驱动反应。

在这种状态下，它会撞上蒽分子，并转移一个氢原子，形成一个弱键。铱催化剂然后激活氢气，完成这个循环。利用氢气代替碳基氢源（过去在有机合成中广泛使用）有可能提供一种可持续的方式，在不产生碳副产品的情况下形成弱化学键。研究还确定了元素周期表中哪种金属催化剂在执行所需反应方面最有效。从之前用铑（另一种稀有、昂贵的金属催化剂）开始的实验室工作开始，很快就把重点放在了铱上。

虽然科学家们还没有准备好抛弃哈伯-博世的方法，但新研究实验的概念验证是重要的早期步骤。虽然还没有催化合成氨，要实现这个目标，还有很长的路要走，但学习如何制造这些弱化学键的想法也很重要。奇里克表示：我喜欢这项研究的一点是，它与众不同，它是基础化学，就像你能得到的一样基础。明天没有人会在这项研究上开设工厂。但我们对这个概念真的很兴奋，我们真的希望其他研究人员在其他情况下也能做这项化学研究。

博科园｜研究/来自：普林斯顿大学

发表期刊《自然化学》

DOI: 10.1038/s41557-021-00732-z

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