光触媒转换氨氮——模仿固氮和光合作用的硫系凝胶

光触媒转换氨氮——模仿固氮和光合作用的硫系凝胶

根据两个生物学过程给出的信息，研究人员已经制备出在白光照射下能够将氮素转化为氨的催化材料。这一新的研究成果也许有一天能够帮助科学家们利用充足的太阳光生产重要的化学品，从而达到在各种催化过程中节约能源的目的。

全球制造商每年约生产2亿t氮，主要用作肥料和生产含氮化合物。标准的合成氨生产工艺——哈伯-博施法中，相对惰性的氮气与氢气在铁基催化剂的存在下，在400℃和25MPa下反应生成氨。当然，该工艺的能耗较高。

自然界通过固氮的方式也能缓慢地将氮气转换为氨。固氮反应发生在含有固氮酶的微生物中，反应条件比较温和。固氮生物酶中的催化剂大多为铁、钼和硫的活性簇合物。

在努力理解自然界这种低能耗的固氮方式时，研究人员合成了一些类似上述簇合物的物质，并且发现其中几个物质能够在强还原条件下催化氮气合成氨。

Abhishek Banerjee和Mercouri G.Kanatzidis等美国西北大学的化学家组成的研究小组已经证明了一种潜在催化剂的有效性，在光驱动下，该催化剂可在室温和常压条件下介导氨的合成反应。模拟了固氮作用和光合作用的某些方面，该催化剂是一种光吸收、多孔、无定形的固体，为由Sn2S6配体组成的Mo2Fe6S8硫族簇合物。

研究人员向含有该硫族簇合物、质子源（吡啶盐酸盐）以及电子供体（抗坏血酸钠）的水溶液中鼓泡通入氮气，当用白光照射该硫系凝胶后，溶液中可检测到氨的存在，随着辐照时间的延长，氨的浓度持续增加。

后续控制实验显示没有催化剂的存在以及放在黑暗环境中的溶液均没有产生氨。研究人员认为在他们的研究中，Mo2Fe6S8产生氨的速度太慢，不足以用于工业生产，但是他们指出，在长达72 h的测试中，该物质的活性保持稳定。

“这是一项非常优雅的工作。”利物浦大学的化学教授Matthew J. Rosseinsky评论道。他还指出，该研究为进一步研究确定催化剂活性位点的结构和Sn2S6配体的作用铺平了道路。

Rosseinsky教授同样也想知道簇合物的电子结构与催化活性所依赖的波长之间是否存在固定的关系。