氨是最重要的合成原料之一，目前最先进的合成氨方法是哈伯法，该合成利用分子氮（N2）和氢（H2）在温度范围400-500℃和压力超过100 bar下进行。但是，反应0.5 N2+1.5 H2 ⇌NH3（ΔH =−46.22 kJ mol−1）是放热的，根据Le Châtelier’s原理，理论上降低温度可以促进氨的转化。由于低温下有利的热力学平衡和在低压下的易于操作，科学界一直在寻找一种温和的合成氨方法。
近日，韩国蔚山国家科学技术研究所Jong-Beom Baek，吉林大学蒋青教授， Zhi-Wen Chen，加拿大卡尔加里大学Samira Siahrostami 报道了采用机械化学的方法在温和的条件下合成氨，在低至45℃和1bar的条件下，最终的氨浓度达到了82.5 vol%，这远远高于最先进的哈伯-博世工艺(在450℃，200 bar下为25 vol%)和电化学方法（10 - 2900 ppm，即在电解液中0.6-170 μM)。
文章要点
1）整个合成过程可分为氮气解离和随后的加氢两步。首先，稳定的N2在含氮铁颗粒 [Fe(N*)] 的缺陷上被吸附并解离成原子氮。接下来，N*加氢成NHx*物种（x=1-3）。随后，强吸附的NHx*物种随后从铁表面分离。 最后，合成的氨被释放出来。研究发现，机械力化学球磨过程的机械碰撞原位产生的高缺陷密度加速了N2的解离，剧烈碰撞过程中的动态弛豫传递的能量促进了强吸附中间体的脱附。
2）与传统的氨合成需要大规模的集中式反应器不同，该方法允许现场生产，规模灵活。分散的基础设施可以节省储存和运输成本，还可以通过泄漏风险减轻活性氮污染。生产一吨氨所需的能源消耗为4.5×1012 J，与实验室规模的哈伯-博世工艺相比具有竞争力，而在工业规模上远远高于最先进的哈伯-博世工艺。
参考文献：
Han, GF., Li, F., Chen, ZW. et al. Mechanochemistry for ammonia synthesis under mild conditions. Nat. Nanotechnol. (2020)
DOI：10.1038/s41565-020-00809-9
https://doi.org/10.1038/s41565-020-00809-9
