光觸媒轉(zhuǎn)換氨氮——模仿固氮和光合作用的硫系凝膠

根據(jù)兩個(gè)生物學(xué)過程給出的信息，研究人員已經(jīng)制備出在白光照射下能夠?qū)⒌剞D(zhuǎn)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(xué)家們利用充足的太陽光生產(chǎn)重要的化學(xué)品，從而達(dá)到在各種催化過程中節(jié)約能源的目的。

全球制造商每年約生產(chǎn)2億t氮，主要用作肥料和生產(chǎn)含氮化合物。標(biāo)準(zhǔn)的合成氨生產(chǎn)工藝——哈伯-博施法中，相對(duì)惰性的氮?dú)馀c氫氣在鐵基催化劑的存在下，在400℃和25MPa下反應(yīng)生成氨。當(dāng)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?dú)廪D(zhuǎn)換為氨。固氮反應(yīng)發(fā)生在含有固氮酶的微生物中，反應(yīng)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(shí)，研究人員合成了一些類似上述簇合物的物質(zhì)，并且發(fā)現(xiàn)其中幾個(gè)物質(zhì)能夠在強(qiáng)還原條件下催化氮?dú)夂铣砂薄?/p>

Abhishek Banerjee和Mercouri G.Kanatzidis等美國西北大學(xué)的化學(xué)家組成的研究小組已經(jīng)證明了一種潛在催化劑的有效性，在光驅(qū)動(dòng)下，該催化劑可在室溫和常壓條件下介導(dǎo)氨的合成反應(yīng)。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(zhì)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?dú)?，?dāng)用白光照射該硫系凝膠后，溶液中可檢測(cè)到氨的存在，隨著輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，氨的濃度持續(xù)增加。

后續(xù)控制實(shí)驗(yàn)顯示沒有催化劑的存在以及放在黑暗環(huán)境中的溶液均沒有產(chǎn)生氨。研究人員認(rèn)為在他們的研究中，Mo2Fe6S8產(chǎn)生氨的速度太慢，不足以用于工業(yè)生產(chǎn)，但是他們指出，在長(zhǎng)達(dá)72 h的測(cè)試中，該物質(zhì)的活性保持穩(wěn)定。

“這是一項(xiàng)非常優(yōu)雅的工作?！崩锲执髮W(xué)的化學(xué)教授Matthew J. Rosseinsky評(píng)論道。他還指出，該研究為進(jìn)一步研究確定催化劑活性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與催化活性所依賴的波長(zhǎng)之間是否存在固定的關(guān)系。