普林斯顿化学家发现了绿色食品生产的关键

Haber-Bosch氨合成工艺可以说是20世纪最重要的(即使是最不为人所知的)工业进步，它通过创造大规模生产肥料的方法从根本上克服了粮食短缺——肥料随后被用于加强世界各地的粮食收成。

但是氨的生产——硝酸铵肥料的组成部分——会产生一种有问题的副产品：二氧化碳。很多：每吨肥料含有超过两吨的碳。据估计，它占全球二氧化碳排放量的1.4%。因此，虽然这一过程抵消了大规模饥饿，但它也开始加剧地球的温室气体负担。

今天摆在科学家面前的主要目标之一是将粮食生产与碳脱钩。在某种程度上，这意味着要找到一种通过无碳合成氨来生产肥料的方法。没有Haber-Bosch能做到吗?

乔纳森·达蒙摄

EdwardsS.Sanford化学教授PaulChirik已经朝着这种可能性迈出了重要的一步，他采用了一种独特的、基本的化学键合成方法。他和他实验室的研究人员使用可见光来驱动弱元素氢键的形成，这是挑战的核心，因为它们很难制造。

该实验室本月发表在《自然化学》上的概念验证论文提出了一种简单的方法，该方法涉及将蓝光照射在铱催化剂上，以在热力学势或接近热力学势的情况下形成弱键——也就是说，无需大量支出能源——没有碳副产品。

Chirik说：“这里的重大突破是能够吸收光，然后促进化学反应以形成非常弱的键，如果没有外部刺激，你无法做到这一点。”“过去，这种刺激措施伴随着浪费或耗电。在这里，我们用光来做。

“我们拥有金属催化剂的世界，它们做出了惊人的事情——它们制造了氨，它们制造了药物，它们制造了聚合物。现在，当我们开始研究这些催化剂吸收光时会发生什么时，我们可以用它们做更多的事情，”他补充道。“所以，你正在服用一些以前产生非常酷的化学反应的东西，然后再用另外50卡路里来榨汁。

“整个世界都打开了。突然之间，我们可以考虑做出一类新的反应。”

点亮一盏灯

EH键只是表示氢和其他元素之间可能形成的任何键的一种方式。E-H键强度高度依赖于每种元素的化学结构，但其中许多键都很弱——不稳定，容易断裂并形成氢(H2)。大多数化学反应是由强键的形成驱动的，因为当形成更稳定的产物时会释放能量。提出挑战的是弱键的组合。

化学反应发出的蓝光

将蓝光照射在铱上使其“兴奋”，赋予其能量撞击蒽分子并转移氢原子，形成弱键。然后铱催化剂激活氢气，完成循环。

照片由尹秀朴提供

Chirik实验室找到了一种通过将光照射在催化剂上来形成弱键的方法;在这种情况下，铱。

它是这样工作的：研究人员选择了一种具有代表性的有机分子蒽，它充当一种平台，在反应瓶内发生化学反应。将蓝光照射在烧瓶内的铱上使其“兴奋”，这意味着它具有驱动反应的能量。在这种状态下，它撞上蒽分子并转移一个氢原子以形成弱键。然后铱催化剂激活氢气，完成循环。

利用氢气代替碳基氢源——过去广泛用于有机合成——可能提供可持续的方式来制造弱化学键而不产生碳副产品。

YoonsuPark是Chirik实验室的博士后研究员，也是该论文的第一作者，SangminKim是2021年的博士生。实验室的毕业生，通过回顾其他反应中出现的弱键并推断他们的教训，提出了使用光化学的想法。该论文的另外两位作者——WilliamS.Tod化学教授GregScholes和他的研究生LeiTian——通过各种激光实验对蓝光的作用提出了见解。

帕克还确定了元素周期表中广阔的金属催化剂在进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)完成的实验室工作中跳出来，他迅速将注意力集中在铱上。

虽然科学家们还没有准备好抛弃Haber-Bosch，但Chirik实验室的概念验证是重要的早期步骤。

“我们还没有用催化方法制造氨。我们要实现这个目标还有很长的路要走，”Chirik说。“但学习如何建立这些弱键的想法非常重要。

“我喜欢这项研究的一点是，它与众不同。这是基础化学，尽可能基础。明天没有人会在这项研究上开设工厂。但我们对这个概念感到非常兴奋，我们真的希望其他人在其他情况下进行这种化学反应。”