可以說(shuō)是 20 世紀(jì)最重要(如果最不為人所知)的工業(yè)進(jìn)步，Haber-Bosch 氨合成工藝通過(guò)創(chuàng)造大規(guī)模生產(chǎn)肥料的方法，從根本上克服了糧食短缺問(wèn)題——肥料隨后被用來(lái)加強(qiáng)世界各地的糧食收成。

但是氨的生產(chǎn)——硝酸銨化肥的組成部分——會(huì)產(chǎn)生一種有問(wèn)題的副產(chǎn)品：二氧化碳。很多：每噸肥料需要超過(guò)兩噸的碳。據(jù)估計(jì)，它占全球二氧化碳排放量的1.4% 。因此，在這個(gè)過(guò)程對(duì)抗大規(guī)模饑餓的同時(shí)，它也開(kāi)始增加地球的溫室氣體負(fù)擔(dān)。

今天擺在科學(xué)家面前的主要目標(biāo)之一是將食品生產(chǎn)與碳脫鉤。在某種程度上，這意味著找到一種通過(guò)無(wú)碳氨合成生產(chǎn)肥料的方法。沒(méi)有哈伯-博世能做到嗎?

Edwards S. Sanford 化學(xué)教授 Paul Chirik 通過(guò)獨(dú)特的、基本的化學(xué)鍵合成方法朝著這種可能性邁出了重要一步。他和他實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用可見(jiàn)光來(lái)驅(qū)動(dòng)弱元素-氫鍵的形成，這是挑戰(zhàn)的核心，因?yàn)樗鼈兒茈y制造。

該實(shí)驗(yàn)室本月發(fā)表在《自然化學(xué)》上的概念驗(yàn)證論文提出了一種簡(jiǎn)單的方法，該方法涉及將藍(lán)光照射在銥催化劑上，以形成處于或接近熱力學(xué)勢(shì)的弱鍵——也就是說(shuō)，無(wú)需大量支出能源——沒(méi)有碳副產(chǎn)品。

Chirik 說(shuō)：“這里的重大突破是能夠吸收光線，然后促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，形成非常弱的鍵，如果沒(méi)有外部刺激，你就無(wú)法做到這一點(diǎn)。” “過(guò)去，這種刺激與浪費(fèi)或消耗電力相結(jié)合。在這里，我們用光來(lái)做。

“我們擁有這個(gè)金屬催化劑的世界，它們做了驚人的事情——它們制造了氨、制造了藥物、制造了聚合物?，F(xiàn)在，當(dāng)我們開(kāi)始研究這些時(shí)會(huì)發(fā)生什么時(shí)，我們可以用它們做更多事情催化劑吸收光，”他補(bǔ)充道。“所以，你之前服用了一些非?？岬幕瘜W(xué)物質(zhì)，然后再用另外 50 卡路里來(lái)榨汁。

“整個(gè)世界都打開(kāi)了。突然間，我們可以考慮做出一類新的反應(yīng)。”

點(diǎn)亮一盞燈

EH 鍵只是表示氫和另一種元素之間可能形成的任何鍵的一種方式。EH 鍵的強(qiáng)度高度依賴于每種元素的化學(xué)結(jié)構(gòu)，但其中許多鍵都很弱——不穩(wěn)定，容易斷裂并形成氫 (H 2 )。大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)是由強(qiáng)鍵的形成驅(qū)動(dòng)的，因?yàn)楫?dāng)形成更穩(wěn)定的產(chǎn)物時(shí)會(huì)釋放能量。正是弱鍵的組裝帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

Chirik 實(shí)驗(yàn)室找到了一種通過(guò)在催化劑上照射光來(lái)形成弱鍵的方法。在這種情況下，銥。

它是這樣工作的：研究人員選擇了一種有代表性的有機(jī)分子蒽，它作為一種平臺(tái)，在反應(yīng)瓶?jī)?nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。將藍(lán)光照射在燒瓶?jī)?nèi)的銥上會(huì)使其“興奮”，這意味著它有能量來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)。在這種狀態(tài)下，它撞到蒽分子并轉(zhuǎn)移一個(gè)氫原子以形成弱鍵。然后銥催化劑激活氫氣，完成循環(huán)。

利用氫氣代替過(guò)去廣泛用于有機(jī)合成的碳基氫源，有可能提供可持續(xù)的方式來(lái)制造弱化學(xué)鍵，而不會(huì)產(chǎn)生碳副產(chǎn)物。

該論文的第一作者、Chirik 實(shí)驗(yàn)室的博士后研究助理 Yoonsu Park 和 2021 年獲得博士學(xué)位的 Sangmin Kim。實(shí)驗(yàn)室的畢業(yè)生，通過(guò)審查出現(xiàn)在其他反應(yīng)中的弱鍵并推斷他們的經(jīng)驗(yàn)，提出了使用光化學(xué)的想法。該論文的另外兩位作者——威廉 S.托德化學(xué)教授 Greg Scholes 和他的研究生雷天——通過(guò)各種激光實(shí)驗(yàn)對(duì)藍(lán)光的作用提供了見(jiàn)解。

Park 還確定了元素周期表中哪一種金屬催化劑最能有效地進(jìn)行所需的反應(yīng)。從之前用銠(另一種稀有、昂貴的金屬催化劑)完成的實(shí)驗(yàn)室工作中，他迅速將注意力集中在銥上。

雖然科學(xué)家們還沒(méi)有準(zhǔn)備好拋棄 Haber-Bosch，但 Chirik 實(shí)驗(yàn)室的概念驗(yàn)證是重要的早期步驟。

“我們還沒(méi)有通過(guò)催化制造氨。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們還有很長(zhǎng)的路要走，”奇里克說(shuō)。“但正是這種學(xué)習(xí)如何建立這些弱系的想法非常重要。

“我喜歡這項(xiàng)研究的一點(diǎn)是，它與眾不同。它是基礎(chǔ)化學(xué)，盡可能基礎(chǔ)。明天沒(méi)有人會(huì)在這項(xiàng)研究中開(kāi)設(shè)工廠。但我們對(duì)這個(gè)概念感到非常興奮，我們真的希望其他人在其他情況下做這種化學(xué)反應(yīng)。”