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化学家发现了绿色食品生产的关键

已有 2224 次阅读 2021-7-31 16:26 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯

化学家发现了绿色食品生产的关键

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Fig. 1 Shining blue light on iridium gets it “excited,” giving it the energy to bump into the anthracene molecule and transfer a hydrogen atom,making a weak bond. The iridium catalyst then activates hydrogen gas, completing the cycle. Credit: Princeton University

据美国普林斯顿大学(Princeton University2021731日提供的消息,该校研究人员发现了绿色食品生产的关键(Chemists discover a key to greener food production)。

20世纪最重要的工业进步,可以毫不含糊地说非哈伯-博世合成氨工艺(Haber-Bosch ammonia synthesis process)莫属,使其通过创造大量生产化肥的方法,基本上克服了粮食短缺,然后用于提高世界各地的粮食收成。但是氨的生产作为硝酸铵肥料的组成部分产生了一个有问题的副产品,那就是二氧化碳(CO2)。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,在该工艺在解决大规模饥饿问题的同时,它也开始增加地球的温室气体负担,对环境带来了严重影响。

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,这意味着需要找到一种通过无碳氨合成来生产肥料的方法。没有哈伯-博世合成氨工艺,化肥生产能够实现吗?

普林斯顿大学爱德华桑福德化学教授(Edwards S. Sanford Professor in ChemistryPaul Chirik,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(Ir-H)的形成,这是挑战的核心,因为它们很难形成。该实验室的研究结果已经在《自然化学》(Nature Chemistry)杂志网站发表——Yoonsu ParkSangmin KimLei TianHongyu ZhongGregory D. ScholesPaul J. Chirik. Visible light enables catalytic formation of weak chemical bonds with molecular hydrogen. Nature Chemistry,  Published: 12 July 2021. DOI: 10.1038/s41557-021-00732-zhttps://doi.org/10.1038/s41557-021-00732-z.在他们的概念验证论文中提出了一种简单的方法,即将蓝光照射在铱催化剂上,使其在热力学势(thermodynamic potential)附近形成弱键,也就是说,在没有碳副产品的情况下,不需要大量消耗能量。

Paul Chirik教授说:“这方面的重大突破是能够利用光,然后促进化学反应,形成一个非常弱的化学键,但是没有外部刺激是不行的。过去,这种刺激措施一直伴随着浪费或消耗电能。这里,我们是用光源来进行了替代。我们选用金属催化剂可以做出惊人的事情,因为金属催化剂它们已经被应用于制氨、制药以及制造聚合物等领域。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。”他补充说道,“所以,你把一些之前使化学反应冷却的措施,再加上50千卡的热量。情形就会截然不同,整个世界被打开了。突然间,我们可以考虑进行一类新的反应。

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,但许多这些键是弱不稳定的,容易断裂,然后形成氢分子(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。正是弱化学键的组合构成了挑战。

Paul 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,就是铱(Ir)于氢之间形成弱化学键(Ir-H)。

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(anthracene),它作为一种平台,在反应瓶(reaction flask)内进行化学反应。用蓝光照射烧瓶内的铱会让它“激活”,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[Ir-H]*。然后,铱催化剂激活氢分子(H-H),完成此循环。

利用氢气取代过去广泛用于有机合成的碳基氢源(carbon-based hydrogen sources),可能提供一种可持续的方式,在不产生碳副产物的情况下生成弱化学键。

该论文的第一作者、Paul Chirik实验室的博士后研究员Yoonsu Park2021年毕业于该实验室的博士生金尚民(Sangmin Kim音译),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William S. Tod化学教授(William S. Tod Professor of ChemistryGreg Scholes和他的研究生田磊(Lei Tian音译)通过各种激光实验对蓝光的作用做出了贡献。

Yoonsu Park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,他迅速将注意力转向铱。虽然科学家们还没有准备好抛弃哈伯-博世工艺,但Paul Chirik实验室的概念验证是重要的早期步骤。

Paul Chirik说:“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。但了解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,就是它与众不同。这是基础化学,你能得到的是最基本的知识。未来没有人会为这项研究开刀。但我们对这个概念很感兴趣,我们真的希望其他人能在其他环境下进行这方面的化学研究。”

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The synthesis of weak chemical bonds at or near thermodynamic potential is a fundamental challenge in chemistry, with applications ranging from catalysis to biology to energy science. Proton-coupled electron transfer using molecular hydrogen is an attractive strategy for synthesizing weak element–hydrogen bonds, but the intrinsic thermodynamics presents a challenge for reactivity. Here we describe the direct photocatalytic synthesis of extremely weak element–hydrogen bonds of metal amido and metal imido complexes, as well as organic compounds with bond dissociation free energies as low as 31 kcal mol−1. Key to this approach is the bifunctional behaviour of the chromophoric iridium hydride photocatalyst. Activation of molecular hydrogen occurs in the ground state and the resulting iridium hydride harvests visible light to enable spontaneous formation of weak chemical bonds near thermodynamic potential with no by-products. Photophysical and mechanistic studies corroborate radical-based reaction pathways and highlight the uniqueness of this photodriven approach in promoting new catalytic chemistry.



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