氨作為支撐肥料、化工產品等多種產業活動的原料，長期以來被廣泛使用。近年來，基於其燃燒時不排放二氧化碳的性質以及僅需輕微加壓或冷卻即可輕鬆液化的性質，全球都在探討將其用作一種能夠在比氫氣更高能量密度狀態下儲存和運輸的能源載體及燃料。
東京大學研究生院工學系研究科的西林仁昭教授等人的研究團隊，通過使用作為氨合成觸媒的鉬配合物和作為光致電子轉移觸媒的銥配合物這兩種分子觸媒，以及作為還原劑的三苯基膦（Ph₃P）等有機磷化合物，成功在太陽光主要成分的可見光照射下，利用常溫常壓的氮氣（N₂）和水（H₂O）光催化合成了氨（NH₃）。相關研究成果已發表在期刊《Nature Communications》上。
圖1 成功利用可見光能量驅動由氮氣（N₂）和水（H₂O）催化合成氨（NH₃）（供圖：東京大學）
研究團隊在2018年時發現，當通過光反應引發有機磷化合物向其他分子的電子轉移（光致電子轉移）時，其與水分子之間會形成P-O鍵，且該鍵可使水分子被激活，能作為可輕易向其他分子提供質子的強酸而發揮作用。
此次，研究團隊應用了從該反應體系中獲得的知識，通過使用光氧化能力較強的光致電子轉移觸媒來引發來自有機磷化合物的光致電子轉移，激活水分子，並將水作為在鉬配合物上進行的氨合成反應的質子源使用。
具體做法如下，當對含有鉬配合物（作為氨合成觸媒）、銥配合物（作為光致電子轉移觸媒）、有機磷化合物（作為還原劑）以及水（作為質子源）的溶液，在常溫常壓的氮氣氛圍下進行可見光照射時，催化生成了氨。在該反應體系中，通過添加可促進受質與觸媒間質子轉移的質子轉移體（吡啶衍生物），反應活性將急劇提升。
該體系在迄今報告的光催化氨合成反應體系中達成了最高的觸媒轉換數（TON），同時成功將量子效率從先前研究中的2%飛躍性地提升至22%。
通過對該光催化反應的反應機構進行調查，推測其經由多個過程進行。首先，利用照射的可見光能量，光致電子轉移觸媒——銥配合物引發來自有機磷化合物的電子轉移，使銥配合物轉化為還原狀態，有機磷化合物轉化為氧化狀態。氧化狀態的有機磷化合物與水分子結合形成鍵並激活水分子。
另一方面，鉬配合物激活氮分子並生成具有氮化物配體的氮化物配合物。銥配合物的還原態向氮化物配合物提供電子，結合了水分子的有機磷化合物則提供質子（質子耦合電子轉移），從而生成氨。此時，結合了水分子的有機磷化合物到氮化物配合物的質子轉移，在質子轉移體存在下大幅加速。
本次研究是全球首次成功利用常溫常壓下的氮氣和水，使用太陽光的主要成分——可見光，合成為實現碳中和目標而需求預計擴大的氨的案例。該研究不僅為綠色氨合成法的開發提供了重要知識，同時預計將對多個研究領域產生波及效應。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST 客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Catalytic ammonia formation from dinitrogen, water, and visible light energy
DOI：10.1038/s41467-025-59727-w
