阳光一照,氮气变成氨

合成氨是极为重要的化工生产过程,但目前广泛使用的哈伯法需要在高温高压条件下进行,能源消耗很大,而自然界中的许多微生物虽然可以实现常温常压下的固氮,这一过程同样需要消耗大量能量并且反应速率较慢。近日,研究人员对生物固氮体系进行改造,成功实现了利用太阳能的固氮过程。

一家合成氨工厂 (图片来源http://www.phxequip.com/plant.134/ammonia-nh3-plant-635-tpd.aspx)

一家合成氨工厂 (图片来源http://www.phxequip.com/plant.134/ammonia-nh3-plant-635-tpd.aspx)

固氮细菌通过固氮酶完成固氮过程,固氮酶由两种蛋白质组成,一种含有铁,称为铁蛋白,它具有极强的还原能力,能够提供电子;另一种蛋白质同时含有铁和钼,称为铁钼蛋白,它利用铁蛋白提供的电子将氮气还原为氨。整个过程需要的能量由三磷酸腺苷(ATP)来提供。

来自美国的研究人员通过大量的实验发现,硫化镉的纳米棒可以被用来代替铁蛋白,硫化镉纳米棒能够吸收光能产生电子,这些电子同样可以被铁钼蛋白用于将氮气还原成氨,从而实现了光照条件下的常温固氮过程。目前这个固氮体系的速率还只有生物固氮过程的60%左右,但这一研究无疑是一个良好的开始。

微生物原有的固氮过程(上)与经过改造后的混合固氮过程(下)反应机理的比较 (图片来自原论文)

微生物原有的固氮过程(上)与经过改造后的混合固氮过程(下)反应机理的比较 (图片来自原论文)

近年来,利用合成手段对生物原有的酶催化体系进行改造,从而实现所谓的“混合反应体系”(hybrid system) 成为颇为热门的领域,例如同样是硫化镉的纳米材料,前不久被研究人员用来改造细菌,使得原本生活在黑暗条件下的细菌改为依靠太阳能将二氧化碳转化为乙酸。对混合体系的研究有助于实现更多常规方法难以完成的化学反应,从而更好地为我们的生活服务。

报道:Light sparks conversion of dinitrogen to ammonia

 

论文:Light-driven dinitrogen reduction catalyzed by a CdS:nitrogenase MoFe protein biohybrid

编译:魏昕宇

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