可以说是20世纪最重要的工业进步(如果不为人所知的话)，哈伯-博世氨气合成工艺通过创造大规模生产肥料的手段，从根本上解决了粮食短缺问题——肥料随后被用于加强世界各地的粮食收成。
但生产氨——制造硝酸铵肥料的基石——会产生一个有问题的副产品:二氧化碳。大量的碳排放:每吨肥料排放超过两吨的碳。据估计，它占全球二氧化碳排放量的1.4%。所以，在这个过程中和了大规模饥饿的同时，它也开始增加地球的温室气体负担。
如今摆在科学家面前的一个主要目标是使食物生产与碳脱钩。在某种程度上，这意味着找到一种通过无碳氨合成来生产肥料的方法。没有Haber-Bosch，这能实现吗?
普林斯顿大学爱德华兹·桑福德化学教授保罗·奇里克(左)和奇里克实验室博士后研究员朴允洙(音)发现了在不产生大量温室气体二氧化碳的情况下制造肥料的关键第一步。他们的工作可能是以碳中和的方式结束世界粮食短缺的关键。
Paul Chirik是爱德华桑福德大学的化学教授，他用一种独特的、基本的方法来合成化学键，向这种可能性迈出了重要的一步。他和他实验室的研究人员利用可见光推动弱元素氢键的形成，这是挑战的核心，因为它们很难形成。
实验室的概念验证,这个月发表在化学本质,展示了一个简单的方法,包括闪亮的蓝色光的铱催化剂,使弱键的形成在或接近热力学势——也就是说,没有大规模的能源支出没有碳副产品。
Chirik说:“这方面的重大突破是能够利用光，然后促进化学反应，形成一个非常弱的键，没有外部刺激是不行的。”他说:“过去，这种刺激措施一直伴随着浪费或消耗电力。这里，我们是用光做的。
“我们拥有这个金属催化剂的世界，它们做了令人惊奇的事情——它们制造了氨，它们制造了药物，它们制造了聚合物。现在，当我们开始研究这些催化剂吸收光时会发生什么时，我们可以对它们做更多的研究。”他补充道。“所以，你把一些之前产生了很酷的化学反应的东西，再加上50千卡的热量。
“整个世界打开了。突然间，我们可以考虑做一类新的反应了。”
一束光照耀
E-H键只是表示氢和其他元素之间形成的键的一种方式。E-H键的强度高度依赖于每个元素的化学结构，但许多这些键是弱的-不稳定的，容易断裂形成氢(H2)。大多数化学反应是由强化学键的形成驱动的，当更稳定的产物形成时就会释放能量。正是弱债券的组合构成了挑战。
用蓝光照射铱会让它“兴奋”，给它能量撞击蒽分子并转移一个氢原子，形成一个弱键。然后，铱催化剂激活氢气，完成循环。
Chirik实验室已经找到了一种方法，用光照在催化剂上形成弱键;在这个例子中，铱。
它的工作原理是这样的:研究人员选择了一种具有代表性的有机分子蒽，它作为一种平台，在反应瓶内进行化学反应。用蓝光照射烧瓶内的铱会让它“兴奋”，这意味着它有能量来驱动反应。在这种状态下，它会撞击蒽分子并转移一个氢原子形成一个弱键。然后，铱催化剂激活氢气，完成循环。
利用氢气取代碳基氢源(过去广泛用于有机合成)，可能提供一种可持续的方式，在不产生碳副产品的情况下生成弱化学键。
该论文的第一作者、Chirik实验室的博士后研究员朴润洙(音)和2021年毕业于该实验室的博士金尚民(音)通过回顾其他反应中出现的弱键并推断其经验，提出了利用光化学的想法。论文的另外两位作者——Greg Scholes, William S. Tod化学教授和他的研究生Lei Tian——通过各种激光实验对蓝光的作用进行了深入研究。
朴正熙还确定了在元素周期表中，哪一种金属催化剂能最有效地进行所期望的反应。从之前的实验室研究铑(另一种稀有、昂贵的金属催化剂)开始，他很快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。
“我们还没有催化制造氨。要实现这个目标，我们还有很长的路要走。”“但学习如何形成这些弱键的想法是如此重要。
“我喜欢这项研究的一点是，它与众不同。这是基本化学，你能得到的最基本的。明天没人会为这项研究开刀。但我们对这个概念真的很兴奋，我们真的希望其他人在其他环境下做这种化学。”
普林斯顿大学化学系的Yoonsu Park、Sangmin Kim、Lei Tian、Hongyu Zhong、Gregory Scholes和Paul Chirik在2021年7月12日出版的《自然化学》杂志上发表了“可见光能够催化氢分子形成弱化学键”。这项研究得到了美国能源部、科学办公室、基础能源科学办公室、催化科学计划(DE-SC0006498)和普林斯顿大学Andlinger能源和环境中心的支持。