研究人员找到使用金属催化剂绿色生产氨的方法

哈伯-博世的合成氨工艺创造大规模生产肥料的手段，可以说是20世纪最重要的（即使是最不为人所知的）工业进步，基本上解决了粮食匮乏问题--肥料随后被用于强化世界各地的粮食收成。

但是，氨的生产--硝酸铵化肥的组成部分--会产生一个有问题的副产品：二氧化碳。每吨化肥产生两吨以上的二氧化碳。据估计，它占全球二氧化碳排放量的1.4%。因此，在这个过程中，在对抗大规模饥饿的同时，它也开始加重地球的温室气体负担。

今天，科学家们面临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的氨合成生产肥料的方法。没有哈伯-博施公司能做到吗？

爱德华-S-桑福德化学教授保罗-奇里克（Paul Chirik）以一种独特的、基本的化学键合成方法向这种可能性迈出了重要一步。他和他的实验室的研究人员使用可见光来驱动弱元素-氢键的形成，这正是挑战的核心所在，因为它们是如此难以制造。

该实验室本月发表在《自然-化学》上的概念验证论文阐述了一种简单的方法，即用蓝光照射铱催化剂，使弱键在热力学势能或接近热力学势能的情况下形成，也就是说，不需要大量的能量支出，而且没有碳副产品。

奇里克说：'这里的重大突破是能够利用光，然后促进化学反应，形成一个真正的弱键，如果没有外部刺激，你是做不到的。在过去，这种刺激是与制造废物或消耗电力结合在一起的。在这里，我们是用光来做。'

我们有这样一个金属催化剂的世界，它们已经做了惊人的事情--它们已经制造了氨，它们已经制造了药物，它们已经制造了聚合物。现在，当我们开始研究这些催化剂吸收光线时会发生什么时，我们可以用它们做得更多。所以，你把以前做得非常酷的化学的东西，你用另外50千卡的热量把它榨成汁。

发出光芒

E-H键只是一种表示你可能在氢和另一种元素之间建立的任何键的方式。E-H键的强度在很大程度上取决于每种元素的化学结构，但这些键中有许多是弱的--不稳定的，倾向于容易断裂并形成氢气（H2）。大多数化学反应是由强键的形成驱动的，因为当更稳定的产品形成时，能量被释放。构成挑战的是弱键的组装。

Chirik实验室已经找到了一种方法，通过将光照在催化剂上来制造弱键；在这种情况下，就是铱元素。

它是这样工作的。研究人员选择了一个有代表性的有机分子--蒽，它作为一种平台，在反应瓶内发生化学反应。用蓝光照射烧瓶内的铱，使其 '被激发'，这意味着它有能量来驱动反应。在这种状态下，它撞上了蒽分子，并转移一个氢原子以建立一个弱键。然后，铱催化剂激活了氢气，完成了这个循环。

利用氢气而不是过去在有机合成中广泛使用的碳基氢源，有可能为制造弱化学键提供可持续的方法，而不产生碳副产品。

Chirik实验室的博士后研究助理、该论文的第一作者Yoonsu Park和该实验室2021年的博士毕业生Sangmin Kim，通过回顾其他反应中出现的弱化学键并推断其经验教训，提出了使用光化学的想法。该论文的另外两位作者--威廉-S-托德化学教授格雷格-斯科尔斯和他的研究生田磊--利用各种激光实验对蓝光的作用做出了深入研究。

帕克还确定了在广阔的周期表中哪种金属催化剂能最有效地进行所需的反应。他从以前用铑--另一种稀有、昂贵的金属催化剂--所做的实验室工作中跳出来，迅速将目标锁定在铱上。

虽然科学家们还没有准备好放弃哈伯-波斯克，但奇里克实验室的概念验证是重要的早期步骤。

奇里克说:'我们还没有用催化法制造氨。我们在这个目标上还有很长的路要走，但正是这种学习如何制造这些弱键的想法是如此重要。我喜欢这项研究的一点是，它是不同的。它是基础化学，是你能得到的最基本的化学。没有人明天会在这项研究上开一家工厂。但我们对这个概念感到非常兴奋，我们真的希望其他人在其他情况下做这种化学研究。'