东京大学研究生院工学系研究科的西林仁昭教授、京都大学研究生院人类与环境学研究科的吉田寿雄教授等人组成的研究团队，成功在不使用有机溶剂及常温常压的条件下，通过球磨的机械力化学反应，成功地利用氮气合成了氨。相关研究成果已发表在期刊《Nature Synthesis》上。
图 利用氮合成氨的原理图（供图：东京大学）
氨不仅是肥料和医药品等必需的化学物质，近年来也作为氢载体受到关注。当前氨气主要是通过高温高压的哈伯-博施法生产，但这一工艺的高能耗问题一直有待解决。
西林教授的研究室正在开发一种在具有钳型配体的钼络合物的状态下，以二碘化钐作为还原剂，在常温常压的温和反应条件下，利用氮气和水或酒精合成氨的催化氨合成方法。然而，由于这种反应是将反应物溶解在有机溶剂中进行的均相反应，在大规模生产氨时需要大量使用昂贵且毒性较高的有机溶剂，这一点成为实际应用过程中的一大障碍。
此次，研究团队以具有钳型配体的钼络合物为催化剂，研究了能否在球磨条件下进行氮气生成氨的反应。结果发现，即使完全不使用有机溶剂，在机械力化学条件下，1个大气压（常压）的氮气也会与以二碘化钐（固体）为还原剂、以水或酒精（固体或液体）作为氢源，在钼催化剂的条件下发生反应，并以较高的收率生成氨（每个钼原子最大生成860当量的氨）。这是全球首个在无溶剂的机械力化学条件下利用分子催化剂实现的固氮反应的实例。
非常有趣的是，研究团队发现，当使用植物和纸张的主要成分——存量丰富的纤维素作为氢源的情况下，也能高效率地获得氨。由于纤维素几乎不溶于有机溶剂，因此在既往使用有机溶剂的反应中完全无法生成氨。
此外，研究还表明，生成的氨无需经过能耗较高的“蒸馏操作”即可回收。研究团队进一步详细调查了机械力化学条件下的氨的生成机制，发现氮气与固体材料之间发生的氮-氮键断裂反应，以及固体材料彼此之间发生的氮-氢键生成反应是这种反应进行的关键。
使用分子催化剂的利用氮气进行的氨合成反应，成功地从既往使用溶剂的均相条件拓展到了在气体－固体之间发生的非均相反应，这一进展意义深远，它为构筑包含气体－固体界面上的电化学氨等更具实用性的反应体系开辟了新的道路。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Synthesis
论文：Mechanochemical nitrogen fixation catalysed by molybdenum complexes
DOI:10.1038/s44160-024-00661-y
