氨作为氮肥的关键成分，对全球粮食生产至关重要，但其传统生产能耗较高，占全球能源消耗的约2%。近期，一项由美国国家实验室、科罗拉多大学博尔德分校、犹他州立大学和俄克拉荷马大学共同参与的研究，探索了利用光能驱动纳米晶生物复合系统将氮气转化为氨的新路径，相关成果已发表于《细胞报告物理科学》期刊。

研究团队以钼铁蛋白为核心，通过硫化镉纳米晶替代传统生物固氮中的铁蛋白功能，实现了光能驱动的电子传递过程。该技术通过光激发纳米晶产生电子，驱动氮气还原反应，同时利用电子供体分子(如连二亚硫酸钠)清除反应中产生的空穴，以维持催化效率。

研究过程中，团队采用低温电子顺磁共振技术追踪反应中间体的形成，并通过动力学模型分析了空穴清除剂对反应速率的影响。美国国家实验室生物能源研究员戴维·马尔德表示：“氨不仅是重要化工产品，也具有作为燃料、原料和储能载体的潜力。理解氮酶的工作原理，有助于开发下一代技术，降低氨生产的高能耗。”

实验表明，通过调节空穴清除剂浓度，可有效调控电子传递效率，提升氮气活化速率。国家实验室生物化学博士后研究员彼得·达尔指出：“我们发现电子传递速率主要受空穴清除过程影响，优化清除剂浓度可促进氮气活化。”研究还通过冷冻反应体系验证了低温条件下反应路径的稳定性，为后续机制解析提供了依据。

国家实验室研究组负责人保罗·金总结道：“深入揭示钼铁蛋白的反应机制，将有助于提升氨合成效率，推动基于空气氮源、贴近农业生产场景的分布式制氨技术发展，减少能源与运输成本。”

出版详情：作者：Peter J. Dahl 等人，标题：纳米晶体：钼氮酶生物杂合物的预稳态动力学揭示孔隙清除效率对N 2 还原至关重要，发表于：《细胞报告物理科学 》(2025)。期刊信息：《细胞报告物理科学》