氨作为氮肥的关键成分，对全球粮食生产至关重要。然而，传统氨生产工艺能耗巨大，占全球能源消耗的2%。目前，全球约一半的氨（约1.7亿吨）通过哈伯-博斯法生产，另一半来自生物固氮过程。

生物固氮利用固氮酶将空气中的氮转化为氨，无需高温高压，能效更高。美国落基山国家实验室（NLR）联合多所大学的研究团队，针对钼固氮酶的光驱动氨生产机制开展了深入研究。他们重点分析了电子传递至钼铁（MoFe）蛋白的过程，并开发了模型以优化实验条件。

NLR生物能源与生物经济研究员David Mulder指出：“氨不仅是重要化学品，也是潜在的燃料和能源存储载体。理解固氮酶的工作原理，有助于开发下一代技术，降低生产能耗。”

该团队在前期工作中发现，可用硫化镉（CdS）纳米晶体替代铁蛋白，直接向MoFe蛋白传递光激发电子。在光照下，CdS纳米晶体将光能转化为电子，驱动氮气还原为氨。研究人员还利用电子顺磁共振光谱，捕获并监测了反应中间体的形成过程。

在CdS:MoFe复合物中，光激发产生高能电子的同时会形成空穴。空穴清除成为维持电子持续传递的关键步骤。研究表明，缺少空穴清除会导致电子与空穴复合，降低氨产量。团队通过实验证实，增加空穴清除剂连二亚硫酸钠的浓度，可有效促进氮气活化。

NLR生物化学博士后研究员Peter Dahl表示：“电子传递速率主要由空穴清除决定。调整清除剂浓度，能够调控电子传递效率，优化氨生产过程。”

NLR团队经理Paul King总结道：“深入揭示固氮酶的反应机制，有助于实现更高效的合成氨生产。未来可能通过本地化生产，利用空气中的氮气，减少运输成本，为农业和能源领域提供新方案。”相关研究成果已发表于《Cell Reports Physical Science》期刊。