用硼和啤酒還原氮氣

在硼的作用下，氮氣可以轉化為銨。

氨在合成肥料中佔據了重要地位。然而，以氮氣生產氨是極其耗能的——氨的工業生產工藝哈伯-博世法（HBM），需要高溫高壓條件。

據科學家估計，HBM的能耗佔全球能源產量的近2%。此外，HBM還需要使用過渡金屬作為催化劑。

近日，德國維爾茨堡大學（JMU）的研究人員在合成氨領域取得了重大突破。JMU科學家Holger Braunschweig教授領導的研究團隊，在無催化劑、室溫和低壓條件下，成功地將氮轉化為銨。這正是合成氨的一個步驟。

該研究於當地時間9月14日發表於《自然·化學》。

2018年，Braunschweig教授團隊報告了用輕質非金屬原子組成的分子鍵合轉化氮的方法。一年後，他們使用類似系統，在實驗室中首次展示了兩個氮氣分子的結合。此前，這種反應只在地球上層大氣中或等離子體條件下才會發生。而本次突破的關鍵在於硼的應用。

雖然Braunschweig等設計的反應系統能夠結合併轉化氮，但反應拼圖還只完成了一半。Braunschweig解釋說：「讓氮氣轉化為氨是一個重大的挑戰。因為它涉及複雜的化學反應序列，而這些反應往往是彼此不相容的。」

解決相容性問題的答案非常簡單：樣品中留下的痕量水足以促進連續的反應。這使得研究人員距離目標銨只有一步之遙。而後研究人員通過進一步實驗發現，關鍵反應可以藉助固體酸來完成，這使得反應可以在室溫下的燒瓶中依次進行。

既然酸化過程在有水參與時就能完成，研究人員決定用當地釀造的Würzburger Hofbräu啤酒來重複這個反應。令人興奮的是，他們在反應混合物中檢測出了預銨產物。這體現了實驗系統對水和其他化合物的耐受性。

論文作者Rian Dewhurst博士等補充說：「將氮還原為氨是人類最重要的化學反應之一。這是第一次用啤酒完成這個反應，這在盛產啤酒的德國非常有趣。」

「啤酒反應」雖然令人興奮，但距離真正的工業化產氨還很遙遠。理想情況下，研究人員需要找到一種還原活性物質的方法，使整個過程更加經濟、節能。

幸運的是，Braunschweig團隊的發現證實硼等輕元素有望解決這一難題。

編譯：雷鑫宇 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《自然·化學》

期刊編號：1755-4330

原文連結：https://phys.org/news/2020-09-nitrogen-boron-beer.html

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