氨氣是化學工業上的重要化學氣體之一,氨氣不僅能作為肥料和各種化學品的原料,也能作為不排放二氧化碳的燃料,因此近年來被視為理想的能源氣體。在製造氨氣上,目前普遍採用哈伯法(Haber-Bosch process),即在高溫高壓條件下(400-500°C,150-250 atm)將氮氣和氫氣混和反應。雖然哈伯法的原子經濟性高,但需要消耗大量能量;且氫氣的生產通常依賴化石燃料,這導致大量的碳排放。為了達成碳中和社會,以及降低全球暖化速率,科學家們迫切需要開發製造「綠氨」的新方法。理想的綠氨製造方法需要滿足三個條件:第一,在溫和條件下進行(較不耗能);第二,使用可再生能源(太陽能)提供活化能;第三,可直接從水中獲得電子和質子。近年來報導的製氨方法確實符合了條件一和條件二,但仍未能達成條件三。
近日,日本東京大學的研究團隊,成功開發出一種以可見光驅動的催化系統,僅使用氮氣、水和可見光能量就能製造氨氣,即理想的綠氨製造方法。該系統使用常見的有機化合物三級磷作為電子供體、鉬錯合物作為催化劑、銥錯合物作為光敏劑。在實驗中,研究人員使用三苯基磷(Ph₃P,90當量)、水(540當量)和2,4,6-三甲基吡啶,在含有鉬催化劑(2微莫耳)和銥光敏劑(4微莫耳)的苯溶液中,於常溫常壓下進行可見光照射20小時,成功獲得31當量的氨氣(基於鉬原子計算),產率達51%,並同時生產28當量的氫氣。研究團隊還發現,在鉬催化劑和銥光敏劑的配體上引入拉電子基團(如三氟甲基和氟原子),能有效提高電子從三級磷傳遞到鉬催化劑的效率。研究人員表示,這項研究首次實現了在常溫常壓下,使用分子催化劑驅動氮氣和水催化合成氨氣。