可以说是 20 世纪最重要(如果最不为人所知)的工业进步，Haber-Bosch 氨合成工艺通过创造大规模生产肥料的方法，从根本上克服了粮食短缺问题——肥料随后被用来加强世界各地的粮食收成。

但是氨的生产——硝酸铵化肥的组成部分——会产生一种有问题的副产品：二氧化碳。很多：每吨肥料需要超过两吨的碳。据估计，它占全球二氧化碳排放量的1.4% 。因此，在这个过程对抗大规模饥饿的同时，它也开始增加地球的温室气体负担。

今天摆在科学家面前的主要目标之一是将食品生产与碳脱钩。在某种程度上，这意味着找到一种通过无碳氨合成生产肥料的方法。没有哈伯-博世能做到吗?

Edwards S. Sanford 化学教授 Paul Chirik 通过独特的、基本的化学键合成方法朝着这种可能性迈出了重要一步。他和他实验室的研究人员使用可见光来驱动弱元素-氢键的形成，这是挑战的核心，因为它们很难制造。

该实验室本月发表在《自然化学》上的概念验证论文提出了一种简单的方法，该方法涉及将蓝光照射在铱催化剂上，以形成处于或接近热力学势的弱键——也就是说，无需大量支出能源——没有碳副产品。

Chirik 说：“这里的重大突破是能够吸收光线，然后促进化学反应，形成非常弱的键，如果没有外部刺激，你就无法做到这一点。” “过去，这种刺激与浪费或消耗电力相结合。在这里，我们用光来做。

“我们拥有这个金属催化剂的世界，它们做了惊人的事情——它们制造了氨、制造了药物、制造了聚合物。现在，当我们开始研究这些时会发生什么时，我们可以用它们做更多事情催化剂吸收光，”他补充道。“所以，你之前服用了一些非常酷的化学物质，然后再用另外 50 卡路里来榨汁。

“整个世界都打开了。突然间，我们可以考虑做出一类新的反应。”

点亮一盏灯

EH 键只是表示氢和另一种元素之间可能形成的任何键的一种方式。EH 键的强度高度依赖于每种元素的化学结构，但其中许多键都很弱——不稳定，容易断裂并形成氢 (H 2 )。大多数化学反应是由强键的形成驱动的，因为当形成更稳定的产物时会释放能量。正是弱键的组装带来了挑战。

Chirik 实验室找到了一种通过在催化剂上照射光来形成弱键的方法。在这种情况下，铱。

它是这样工作的：研究人员选择了一种有代表性的有机分子蒽，它作为一种平台，在反应瓶内发生化学反应。将蓝光照射在烧瓶内的铱上会使其“兴奋”，这意味着它有能量来驱动反应。在这种状态下，它撞到蒽分子并转移一个氢原子以形成弱键。然后铱催化剂激活氢气，完成循环。

利用氢气代替过去广泛用于有机合成的碳基氢源，有可能提供可持续的方式来制造弱化学键，而不会产生碳副产物。

该论文的第一作者、Chirik 实验室的博士后研究助理 Yoonsu Park 和 2021 年获得博士学位的 Sangmin Kim。实验室的毕业生，通过审查出现在其他反应中的弱键并推断他们的经验，提出了使用光化学的想法。该论文的另外两位作者——威廉 S.托德化学教授 Greg Scholes 和他的研究生雷天——通过各种激光实验对蓝光的作用提供了见解。

Park 还确定了元素周期表中哪一种金属催化剂最能有效地进行所需的反应。从之前用铑(另一种稀有、昂贵的金属催化剂)完成的实验室工作中，他迅速将注意力集中在铱上。

虽然科学家们还没有准备好抛弃 Haber-Bosch，但 Chirik 实验室的概念验证是重要的早期步骤。

“我们还没有通过催化制造氨。要实现这个目标，我们还有很长的路要走，”奇里克说。“但正是这种学习如何建立这些弱系的想法非常重要。

“我喜欢这项研究的一点是，它与众不同。它是基础化学，尽可能基础。明天没有人会在这项研究中开设工厂。但我们对这个概念感到非常兴奋，我们真的希望其他人在其他情况下做这种化学反应。”