光觸媒轉換氨氮——模仿固氮和光合作用的硫系凝膠

光觸媒轉換氨氮——模仿固氮和光合作用的硫系凝膠

根據兩個生物學過程給出的信息，研究人員已經制備出在白光照射下能夠將氮素轉化為氨的催化材料。這一新的研究成果也許有一天能夠幫助科學家們利用充足的太陽光生產重要的化學品，從而達到在各種催化過程中節約能源的目的。

全球制造商每年約生產2億t氮，主要用作肥料和生產含氮化合物。標準的合成氨生產工藝——哈伯-博施法中，相對惰性的氮氣與氫氣在鐵基催化劑的存在下，在400℃和25MPa下反應生成氨。當然，該工藝的能耗較高。

自然界通過固氮的方式也能緩慢地將氮氣轉換為氨。固氮反應發生在含有固氮酶的微生物中，反應條件比較溫和。固氮生物酶中的催化劑大多為鐵、鉬和硫的活性簇合物。

在努力理解自然界這種低能耗的固氮方式時，研究人員合成了一些類似上述簇合物的物質，并且發現其中幾個物質能夠在強還原條件下催化氮氣合成氨。

Abhishek Banerjee和Mercouri G.Kanatzidis等美國西北大學的化學家組成的研究小組已經證明了一種潛在催化劑的有效性，在光驅動下，該催化劑可在室溫和常壓條件下介導氨的合成反應。模擬了固氮作用和光合作用的某些方面，該催化劑是一種光吸收、多孔、無定形的固體，為由Sn2S6配體組成的Mo2Fe6S8硫族簇合物。

研究人員向含有該硫族簇合物、質子源（吡啶鹽酸鹽）以及電子供體（抗壞血酸鈉）的水溶液中鼓泡通入氮氣，當用白光照射該硫系凝膠后，溶液中可檢測到氨的存在，隨著輻照時間的延長，氨的濃度持續增加。

后續控制實驗顯示沒有催化劑的存在以及放在黑暗環境中的溶液均沒有產生氨。研究人員認為在他們的研究中，Mo2Fe6S8產生氨的速度太慢，不足以用于工業生產，但是他們指出，在長達72 h的測試中，該物質的活性保持穩定。

“這是一項非常優雅的工作。”利物浦大學的化學教授Matthew J. Rosseinsky評論道。他還指出，該研究為進一步研究確定催化劑活性位點的結構和Sn2S6配體的作用鋪平了道路。

Rosseinsky教授同樣也想知道簇合物的電子結構與催化活性所依賴的波長之間是否存在固定的關系。