東京大學研究生院工學系研究科的西林仁昭教授、京都大學研究生院人類與環境學研究科的吉田壽雄教授等人組成的研究團隊，成功在不使用有機溶劑及常溫常壓的條件下，透過球磨機的機械力化學反應，成功地利用氮氣合成了氨。相關研究成果已發表在期刊《Nature Synthesis》上。
圖 利用氮合成氨的示意圖（供圖：東京大學）
氨不僅是肥料和醫藥物等必需的化學物質，近年來也作爲氫載體受到關注。當前氨氣主要是透過高溫高壓的哈柏-波希法生產，但這一工藝的高能耗問題一直有待解決。
西林教授的研究室正在開發一種在具有鉗型配體的鉬錯合物的狀態下，以二碘化釤作爲還原劑，在常溫常壓的溫和反應條件下，利用氮氣和水或酒精合成氨的催化氨合成方法。然而，由於這種反應是將反應物溶解在有機溶劑中進行的勻相反應，在大量生產氨時需要大量使用昂貴且毒性較高的有機溶劑，這一點成爲實際應用程序中的一大障礙。
此次，研究團隊以具有鉗型配體的鉬錯合物爲觸媒，研究了能否在球磨機條件下進行氮氣生成氨的反應。結果發現，即使完全不使用有機溶劑，在機械力化學條件下，1個大氣壓力（常壓）的氮氣也會與以二碘化釤（固體）爲還原劑、以水或酒精（固體或液體）作爲氫源，在鉬觸媒的條件下發生反應，並以較高的產率生成氨（每個鉬原子最大生成860當量的氨）。這是全球首個在無溶劑的機械力化學條件下利用分子觸媒實施的固氮反應的實例。
非常有趣的是，研究團隊發現，當使用植物和紙張的主要成分——存量豐富的纖維素作爲氫源的情況下，也能高效率地獲得氨。由於纖維素幾乎不溶於有機溶劑，因此在既往使用有機溶劑的反應中完全無法生成氨。
此外，研究還表明，生成的氨無需經過能耗較高的「蒸餾操作」即可回收。研究團隊進一步詳細調查了機械力化學條件下的氨的生成機制，發現氮氣與固體材料之間發生的氮-氮鍵斷裂反應，以及固體材料彼此之間發生的氮-氫鍵生成反應是這種反應進行的關鍵。
使用分子觸媒的利用氮氣進行的氨合成反應，成功地從既往使用溶劑的均相條件拓展到了在氣體－固體之間發生的非均相反應，這一進展意義深遠，它爲構築包含氣體－固體界面上的電化學氨等更具實用性的反應階層開闢了新的道路。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Synthesis
論文：Mechanochemical nitrogen fixation catalysed by molybdenum complexes
DOI:10.1038/s44160-024-00661-y
