东京理工大学 氨(NH3)是当今最重要的工业化学品之一，在全球范围内合成，用于化肥，从而为大约70%的世界人口提供粮食生产
氨目前是由空气中的氮气(N2)和氢气(H2)反应得到的
这种反应需要高能量，因此由化石燃料提供动力，占全球二氧化碳排放量的3%以上
信用:Irasutoya，Michikazu Hara 东京理工大学的科学家开发了一种改进的催化剂，采用普通脱水剂氢化钙，并向其中加入氟化物
该催化剂只需使用现有技术所需能量的一半，就能在50℃的温度下合成氨
这为低能耗和减少温室气体排放的氨生产打开了大门
氨对于制造植物肥料至关重要，而植物肥料又养活了大约70%的世界人口
在工业中，氨是通过哈伯-博世工艺生产的，甲烷首先与蒸汽反应生成氢气，然后氢气与氮气反应生成氨
这种方法的问题是，随着温度的升高，产量下降
为了继续获得良好的产率，需要增加反应室中施加的压力
这需要很多能量
此外，用于反应的铁基催化剂仅在350℃以上有效
保持如此高的温度也需要大量的能量
最重要的是，收益率只有30-40%
化石燃料目前被用来为这一过程提供动力，向大气排放大量二氧化碳
可再生资源的替代品，如风能，已经得到应用，但这些还没有证明是可持续的
因此，为了增加产量同时减少对环境的危害，反应必须在低温下进行
为此，需要能够在低温下进行反应的催化剂
a)在开发的含氟钌/氟化钙催化剂上氮吸附的傅里叶变换红外光谱(上图)显示，与未改性的钌/氟化钙催化剂相比，氮原子之间的键减弱(下图)
使用钌/氟化钙催化剂的建议反应机理
信用:自然交流 迄今为止，这样的催化剂对科学家来说是难以捉摸的
“传统的催化剂在100-200℃的温度下失去了对N2和H2气体生成氨的催化活性，即使它们在高温下表现出高催化性能，”来自日本东京理工大学的一组科学家评论说，他们似乎最终解决了催化剂的问题
由博士领导的科学家们
原道一和开发了一种即使在50℃也有效的催化剂
“我们的催化剂在50℃时从N2和H2气体中产生氨，其活化能极低，仅为20千焦·摩尔-1，还不到传统催化剂的一半，”Dr
哈拉和他的同事在他们发表在《自然通讯》上的论文中报道
他们的催化剂由氟化钙的固溶体组成，表面沉积有钌纳米粒子
在氢化钙(一种常见的脱水剂)中加入氟化物(氟)，使催化剂在较低的温度和压力下有效
在进行光谱和计算分析后，科学家们提出了一种催化剂促进氨生产的可能机制
氟化钙键比钙氢键更强
因此，钙-氟键的存在削弱了钙-氢键，钌能够从催化剂晶体中提取氢原子，留下电子
氢原子然后作为H2气体从钌纳米粒子中解吸出来
这甚至在50℃时也会发生
晶体中捕获的电子和氟离子之间的电荷排斥降低了这些电子释放的能量势垒，从而赋予材料高的给电子能力
这些释放的电子攻击N2气体中氮原子之间的键，促进了氨的产生
这种生产氨的新方法减少了能源需求，从而减少了使用大量化石燃料产生的二氧化碳排放
这项研究的发现阐明了环境可持续的哈伯-博施过程的可能性，为农业食品生产的下一次革命打开了大门
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