bet36体育在线的化学家们发现了绿色食品生产的关键

2021年7月30日.m.

可以说,这是20世纪最重要的(即使是最不为人知的)工业进步, 哈伯-博世合成氨过程通过创造大量生产肥料的方法,基本上解决了粮食短缺问题——肥料随后被用于加强世界各地的粮食收成.

但生产氨——制造硝酸铵肥料的基石——会产生一个有问题的副产品:碳 二氧化物. 大量的碳排放:每吨肥料排放超过两吨的碳. 它占了估计的1.占全球二氧化碳排放量的4%. So, 与此同时,这一过程避免了大规模的饥饿, 它也开始增加地球的温室气体负担.

如今摆在科学家面前的一个主要目标是使食物生产与碳脱钩. 在某种程度上,这意味着找到一种通过无碳氨合成来生产肥料的方法. 没有Haber-Bosch,这能实现吗?

保罗Chirik和Yoonsu公园在弗里克化学大楼

保罗Chirik,bet36体育Edwards S. 桑福德化学教授(左), 和Yoonsu公园, 奇里克实验室博士后研究员, 已经发现了在不产生一吨又一吨二氧化碳的情况下制造肥料的关键的第一步, 主要的温室气体. 他们的工作可能是以碳中和的方式结束世界粮食短缺的关键.

保罗Chirik爱德华S. 桑福德化学教授, 在这种可能性上迈出了重要的一步, 化学键合成的基本方法. 他和他实验室的研究人员利用可见光推动弱元素氢键的形成, 挑战的核心是什么,因为它们很难制作.

实验室的概念证明论文 发表 本月的《bet36体育》杂志, 提出了一种简单的方法,即在铱催化剂上发出蓝光,使其在热力学势或热力学势附近形成弱键, 没有大量的能源消耗,也没有碳副产品.

“这里的重大突破是能够利用光,然后促进化学反应,形成一个非常弱的键, 没有外部刺激你就做不到,”Chirik说. 他说:“过去,这种刺激措施一直伴随着浪费或消耗电力. 这里,bet36体育在线是用光做的.

“bet36体育在线有这个世界的金属催化剂做了惊人的事情——它们制造了氨, 他们已经取得了药物, 他们使聚合物. 现在, 当bet36体育在线开始观察这些催化剂吸收光时会发生什么时,bet36体育在线可以对它们做更多的研究,”他补充道. “So, 你把之前做过很酷的化学反应的东西加了50千卡.

“整个世界打开了. 突然间,bet36体育在线可以考虑做一类新的反应.”

一束光照耀

E-H键只是表示氢和其他元素之间形成的键的一种方式. E-氢键强度高度依赖于每个元素的化学结构,但其中很多 债券 弱-不稳定 容易破裂并形成氢(H2). 大多数化学反应是由强键的形成驱动的, 当更稳定的产物形成时就会释放能量. 正是弱债券的组合构成了挑战.

化学反应发出蓝光

用蓝光照射铱会让它“兴奋”,“给它能量去撞击蒽分子并转移一个氢原子,形成弱键. 然后,铱催化剂激活氢气,完成循环.

The Chirik lab has found a way 形成一个弱键 by shining light on a catalyst; in this case, 铱.

它是这样工作的:研究人员选择了一个有代表性的有机分子, 蒽, 它就像一个平台在上面化学反应就发生在这个平台上. 用蓝光照射 烧瓶内的铱让它“兴奋”,这意味着它有能量来驱动反应. 在这种状态下,它 与蒽分子碰撞并转移一个氢原子 形成一个弱键. 然后,铱催化剂激活氢气,完成循环.

利用氢气取代碳基氢源(过去广泛用于有机合成),可能提供一种可持续的方式,在不产生碳副产品的情况下生成弱化学键.

Yoonsu公园, 他是Chirik实验室的博士后研究员,也是论文的第一作者, 和金Sangmin, 2021年的Ph值.D. 实验室毕业生, 通过回顾其他反应中出现的弱化学键并推断它们的教训,提出了使用光化学的想法. 论文的另外两位作者 格雷格·斯科尔斯威廉S号. 托德,化学教授, 和他的研究生雷天通过各种激光实验对蓝光的作用做出了贡献.

朴正熙还确定了在元素周期表中,哪一种金属催化剂能最有效地进行所期望的反应. 从之前的实验室研究铑(另一种罕见物质)开始, 昂贵的金属催化剂——他很快将注意力集中在铱上.

虽然科学家们还没有准备好抛弃哈伯-博世, 奇里克实验室的概念验证是重要的早期步骤.

“bet36体育在线还没有催化制造氨. 要实现这个目标,bet36体育在线还有很长的路要走。. “但学习如何形成这些弱键的想法是如此重要.

“我喜欢这项研究的一点是,它与众不同. 这是基本化学,你能得到的最基本的. 明天没人会为这项研究开刀. 但bet36体育在线对这个概念很感兴趣, bet36体育在线真的希望其他人也能在其他环境下做这个化学实验.”

可见光能催化与分子氢形成弱化学键,yonsu Park, Sangmin金, Lei田, 宏宇钟, 格雷戈里·斯科尔斯, 和化学系的保罗·奇里克, bet36体育, 出现在7月12日, 《bet36体育》2021年版, (DOI: 10.1038/s412-z). 这项研究得到了美国卫生研究所的支持.S. 能源部, 科学办公室, 基础能源科学办公室, 催化科学计划(DE-SC0006498), 以及bet36体育Andlinger能源与环境中心.