近日，北京大学化学与分子工程学院应用化学系刘志博教授团队在《国家科学评论》（National Science Review）发表了题为“Radiocatalytic ammonia synthesis from nitrogen and water”的研究工作。该工作利用电离辐射作为赋能方式，在室温下利用水辐解产生的高还原性水合电子（e−aq）实现了氮气（N2）的还原反应。
氮（N）是生命活动的必需元素。N2作为自然界最丰富、易得的氮源，在空气中占比高达78%，但受限于N≡N三键的高键能（941 kJ/mol），N2难以被活化利用。上世纪发展沿用至今的Haber-Bosch制氨法成功实现了氮气向氨（NH3）的直接工业化转化，推动了全球农业的快速发展，养活了世界上一半的人口，是粮食安全的根基。然而，这种氮气与氢气反应的合成氨技术需要高温高压设备，耗能高，且氢气的工业获取伴随大量二氧化碳的排放。因此，发展高效、绿色的合成氨技术一直受到广泛关注。
核能是一种低碳、高效的能源形式。目前核能利用过程中产生的大量电离辐射（如γ射线）仍未被很好地开发利用，这部分辐射可以在温和条件下辐解水产生高还原性或高氧化性的活性物种。该工作发现，利用γ射线辐解水产生的e−aq能够实现氮气与水反应合成氨。使用辐射合成的Ru/SiO2催化剂能够辅助N2活化、显著提高NH3的产额。通过对催化剂种类、催化剂用量、反应压强、反应时间、添加剂等实验条件进行优化，反应效率可以得到进一步的提高，能量转化效率最高可达563.7 mgNH3·MJ−1。在总吸收剂量为312.0 kGy时，NH3浓度可以达到5.1 mM。催化循环实验结果表明，辐射合成的Ru/SiO2催化剂在放射性环境中仍可以保持其催化活性，具有良好的辐射稳定性。
图1 辐射驱动的氮气与水反应合成氨
该工作发展了辐射驱动固氮策略，为核能向化学能的直接转化和工业应用提供了参考。
北京大学化学与分子工程学院/北大-清华生命科学联合中心/昌平实验室刘志博教授为该论文通讯作者，北京大学化学与分子工程学院穆博帅博士和博士研究生徐洋为论文共同第一作者。本研究感谢席振峰院士以及魏俊年研究员的建议和帮助，感谢翟茂林教授以及李久强高级工程师在辐射化学和辐照上的帮助。该工作得到了北京大学化学与分子工程学院、北大-清华生命科学联合中心、昌平实验室、北京分子科学国家研究中心、中华人民共和国科学技术部、国家杰出青年科学基金、北京市自然科学基金的资助。
研究详情请见原文：
Mu et al. Radiocatalytic ammonia synthesis from nitrogen and water. National Science Review, 2024, 11: nwae302
https://doi.org/10.1093/nsr/nwae302
