西北大学的科学家们研发出了一种非常了不起的催化剂，达到了之前只在自然界中才有的固氮效果：在常温常压下将大气中的氮气转化为氨，不需要高温或者高压。

这种光驱动的催化方法为生产更加环保的化肥提供了条件。（氨是化肥中的重要组成部分。）

“在室温常压下将氮气转化为氨是一个非常重大的课题，”无机化学家Mercouri G. Kanatzidis说，他是这项研究的负责人。“科学家们被生物（主要是固氮菌）体内的固氮酶深深地吸引了，这种酶能在常温下催化这一反应，它的催化剂寿命甚至可以达到60年。现在我们也成功地模拟了这一自然进程。”

Kanatzidis是西北大学文理学院的化学系讲座教授。

植物依赖共生固氮细菌的固氮作用来得到必需的营养以生长。但是空气中的氮是不能直接被植物吸收的，因此我们要用含氮化合物来给植物施肥，比如氨。

西北大学的科学家使用的是光催化的方法来催化这一反应。Kanatzidis表示与目前合成氨的工业标准—Haber-Bosch法相比，这种利用非常充裕的太阳能来将氮气转化为氨的方法是一种非常有吸引力的替代方案。要知道Haber-Bosch法消耗了世界上1%的能源供应。

西北大学拟生物固氮酶的研究细节最近发表在了期刊《美国化学学会》（JACS）上。

尽管用这种催化剂代替Haber-Bosch法进行工业合成氨只在理论上可行，但是它仍是一个很重大的发现。因为氮气是非常稳定的一种单质—它是一种惰性气体。氮气的三根化学键（两个π键和一个σ键）是非常难断裂的。

为了攻克氮气不活泼、难以反应的难题，Kanatzidis和他的同事们把目光转向了他们早前研发的一种有趣的材料，一种硫族元素做成的气凝胶。这种类似于海绵的多孔状材料有一个突出的优点，那就是它拥有非常大的表面积。这种气凝胶的成分是FeMoS，其中铁（Fe）和钼（Mo）元素都是在固氮酶中发现的用于催化氮气反应的关键金属元素。

“由于它的表面积非常的大，这种材料为接触到的氮气提供了充足的反应场所。” Kanatzidis说。

这种气凝胶催化剂的另一个优点是它的颜色：它是黑色的，所以它可以吸收很多的光。研究人员认为它或许可以利用光的能量。(固氮酶的直接能量来源是生物自身的ATP，而不是阳光。)

“我曾同我的同事讲，‘让我们来做点疯狂的尝试吧。’”Kanatzidis说。“让我们用光来激活这个气凝胶材料，为它提供一些氮气，观察它是否能将氮气转化成氨。出人意料是，我们检测到了氨的生成，并且氨的含量一直在剧烈地升高。”

气凝胶催化剂中的FeMoS辅因子提供给吸附在表面的氮气八个电子，再加上八个质子(H⁺)，最终生成2分子氨和1分子氢气，这跟在固氮细菌体内中发生的反应是一样的。

在得到最初的有利结果后，西北大学的研究人员仍然做了一系列控制实验以确定生成的氨是来自于氮气的催化反应而不是一些其他来源。

这种气凝胶催化剂非常的稳定。“这种催化剂能一直工作，” Kanatzidis说。“生物体内的固氮酶需要每六到八个小时就更新一次。”

不过，研究人员也证实，他们的催化剂的效率比固氮酶低大概1000倍。

“但是固氮酶已经演变了二十亿也许三十亿年了，” Kanatzidis说。“我们对研发出来的催化剂能模拟固氮酶的功能已经很满意了。这是一个非常好的开端。现在我们正尝试弄明白这种催化剂的工作原理，并研究怎么提高它的效率。我们已经在这个方向取得了进展。”

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