维度网讯，维也纳工业大学（TU Wien）研究人员展示了如何通过优化催化剂设计，利用阳光、水、空气和金属有机催化剂实现太阳能驱动的氨合成。该研究为开发更高效、更可持续的氨生产技术提供了关键见解。

一个多世纪前开发的哈伯-博世法（Haber–Bosch process）将空气中的氮气转化为氨，成为大多数合成肥料的关键成分。如今，全球约一半的粮食生产依赖于源自氨的肥料，使哈伯-博世法成为人类历史上最重要的工业创新之一。然而，生产氨所需的能源约占全球温室气体排放量的1.2%，这促使全球研究人员寻求更清洁、更可持续的生产方法。科学家们利用金属有机框架（MOFs）作为催化剂，开发出了一种替代的可持续氨合成路线。维也纳工业大学研究人员现已证明，可以专门调控MOF结构以调节其催化性能，为设计更高效、更可持续的氨生产技术提供了宝贵见解。该项目是国际合作成果：关键测量数据来自美国弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech），计算机模拟由以色列理工学院（Technion – Israel Institute of Technology）执行。

要生产氨（NH₃），必须首先激活空气中以N₂分子形式存在的氮分子，使其与氢反应。这是化学中最强的键之一，两个氮原子由极其稳定的三键连接。在传统的哈伯-博世法中，这一过程需在超过150巴的压力和至少400°C的温度下完成，极端条件导致该过程高度耗能。自然界则提供了更温和的方式：某些细菌使用含有铁的固氮酶，在温和条件下结合并转化氮分子。类似的效果可以通过金属有机框架（MOFs）实现，这些是多孔材料，其中金属离子与特定有机化合物连接形成更大结构。“与天然固氮酶一样，我们在金属有机框架中也使用铁——一种相对廉价且易于获取的金属，”维也纳工业大学的Cornelia Baeckmann博士说。“我们研究的关键问题是：如何调整有机配体，使材料能够生产氨？”

“当光被金属有机框架吸收时，会产生激发态，电荷重新分布，尤其是向铁中心集中，”维也纳工业大学的Dominik Eder教授说。“周围的有机连接物调节MOF的特性，从而影响其催化性能。”通过这种方式，有机连接物影响电子转移动力学、氮结合强度以及周围水中质子到达活性位点的可及性。一旦氮分子附着在合适的铁位点上，其极其稳定的三键被削弱并变得更加活泼，然后通过连续的电子和质子转移，该分子逐渐转化为氨。

“我们表明，有机配体的微小变化可以显著改变催化剂活性，”该研究第一作者、维也纳工业大学材料化学研究所的Jana Bischoff表示。“我们研究了一系列含有不同有机配体的金属有机框架，以了解如何调控氨生产活性。”目前的工作虽还不是工业氨生产的启动信号，但却是朝着那个方向迈出的重要一步。金属有机框架（MOFs）为针对氨合成这类能源挑战性且全球重要的过程进行定制催化剂设计开辟了有前景的新途径。

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