作者:高长安 来源:中国科学报 发布时间:2020/4/16 23:07:23
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催化固氮研究开辟新路线

 

人类通过工业固氮过程每年所耗费的能源占全球能源总供给量的1%~3%,产生的二氧化碳占其释放总量的1%。在能源与环境问题日益严峻的今天,如果能发现一个高效的均相催化体系,实现类似固氮酶温和条件下将氮气转化为氨的反应,具有十分重要的经济价值和社会效益。《中国科学报》4月15日从河北大学获悉,该校药学院教授朱华结课题组的青年教师李龙飞博士等在“化学酶”固氮领域研究取得新进展,相关成果近日发表在《美国化学会志》上。

据了解,大气中的氮气由于其异常稳定的三键化学结构,在工业的高温高压条件下合成氨也十分不易。而自然界中,如大豆根上的根瘤菌却能够将大气中的氮气很轻松地转化为植物所需要的氨。因此,模拟大自然中的根瘤菌也许能够更有效地将大气中取之不尽的氮气转化为氨。

朱华结介绍,在该项研究中,科研团队通过找到一个能够将氮氮三键进行部分拉伸到合适位置的催化剂,再通过合适的其他化学试剂插入到氮氮三键中间,将其打开后完成相关化学反应。经过大量的理论筛选,最后发现“联吡啶”作为一种桥联路易斯碱,可以先与双硼烷形成硼烷“口袋”,然后将氮气分子拉进“口袋”中,由此形成一种氮气与硼烷相互作用的系统,从而在双硼烷的裂解过程中,将极为惰性的氮气分子中的三键打开。由于这个体系中的“拉力”强大,使得让其三键断开时所需要的能量很低。量子化学理论计算其需要的能量仅为23千卡/摩尔。这个能量表明,该反应中使用“联吡啶”作为催化剂可以在室温下将氮气的三键打开。因此,此项研究不仅揭示了氮气与硼烷之间可以发生化学反应,更为催化固氮研究开辟了一条新的研究路线。

《美国化学会志》审稿人表示,该论文是一个显示理论化学为社会发展需求服务的杰出例子。

相关论文信息: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00409

 
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