这种物质能大幅度提高粮食产量，合成氨在留下了伟大的印记

原标题:这种物质养活了世界一半人口，现在被科学家用铁球打掉了

合成氨似乎一直在处理生死问题——无论是结束了鸟粪大战，养活了至少40%的全球人口，还是随后成为了战争武器。

在多重因素的影响下，饥饿仍然是一个需要面对和解决的全球性问题在人类试图消除饥饿的漫长历史中，合成氨在其中留下了伟大的印记而且，在100多年的时间里，科学家们从未放弃对传统合成氨技术的创新，也从未彻底推翻它但无论哪种方式，科学家的目标都是一样的:获得最好的技术

从远处看，秘鲁的钦查群岛在阳光下闪着耀眼的白光这不是岩石或建筑的颜色，而是海鸟的白色排泄物这些鸟粪含有15%的氮，是牛粪的30倍事实上，早在19世纪，法国化学家让—巴蒂斯特·布森戈在他的农场进行实验时就发现了氮在增加粮食产量中的关键作用换句话说，这些含氮量高的鸟粪是极好的肥料

因此，这些刺鼻的资源在19世纪成为了有价值的商品，甚至引发了几次鸟粪大战不幸的是，由于人类无节制的开采，在短短的几十年里，钦察群岛几十米深的鸟粪几乎被全部挖光，最后甚至还杀死了海鸟——而这仅仅是因为人类认为岛上的鸟类妨碍了他们挖粪

可是，幸运的是，后来，我们不再需要海鸟一直贡献它们的粪便，因为化学家们对直接从空气中固定氮非常感兴趣，并取得了很大的突破。

合成氨城堡的国王

氮是蛋白质，DNA等生物大分子的重要组成部分，对生物体的生存和生长极其重要虽然氮气在地球大气中占绝大多数，但由于氮气中的两个氮原子是通过三个共价键连接在一起的，所以氮气的化学性质非常稳定，氮分子很难被打破

对于自然界来说，固氮是基本的反应过程之一:经过亿万年的进化，一些生物已经学会了从空气中固定氮，细胞产生的固氮酶会将氮转化为含氮化合物，供生物利用可是，对于人类来说，氮分子的高效解离是一座至今难以跨越的大山

植物利用寄生细菌产生的固氮酶将空气中的氮转化为植物细胞可以利用的含氮化合物。

20世纪初，人类首次实现了氨的工业化生产:1908年，德国化学家弗里茨·哈伯利用金属催化剂，在高温高压下，将氮气和氢气直接转化为氨当哈伯在德国向巴斯夫展示他设计的合成氨工艺时，巴斯夫实验室主任被100个标准大气压的反应条件惊呆了，因为这不是小事，一旦出错，将是生死攸关的事情

哈伯设计的氨厂用于在实验室合成大量的氨。

可是，巴斯夫实验室的卡尔·博施认为:合成氨值得我们冒险最后，他解决了高压氨合成的技术难题，设计了一种能够循环反应的工业装置1913年，巴斯夫建造了世界上第一座合成氨工厂，并生产出第一批氨这种合成氨的方法被称为哈伯—博施法，哈伯和博施分别获得了1918年和1931年的诺贝尔化学奖

随后的100年间，伴随着技术的发展，氨产量的不断增加，逐渐提高了粮食产量，养活了越来越多的人经过数据分析和估算，荷兰阿姆斯特丹自由大学的Jan William Ehrismann和加拿大曼尼托巴大学的Vaclav Smil都认为，人工固氮生产的氮肥至少养活了全球40%的人口除了用于制造肥料，其余20%的氨是含氮药物，聚酰胺纤维等高分子化合物的合成原料

有些科学家会形象地把合成氨厂比作一座城堡，哈伯—博施法已经是这座城堡的国王100多年了，可是任何技术都无法撼动它的地位可是，即使如此，哈伯—博施法也有许多问题其中，最大的缺点在于极其苛刻的反应条件——450—550℃的高温和100多个标准大气压

可能的方法

实际上，氮气和氢气之间的反应是放热反应放热反应的优点是热力学上可行，较低的温度有利于放热过程那么为什么哈伯—博世还会定这么高的温度呢原因在于前面提到的极不活泼的氮气

稳定的氮分子迫使化学家将温度提高到大约500℃，这只有在催化剂的帮助下才能实现但是勒查特莱原理告诉我们，高温会抑制放热过程于是，化学家再次妥协，不得不把压力提高到100个标准大气压这时，我们刚刚得到了通行证氨合成工艺可以说，哈伯—博施方法是热力学和动力学局限性妥协的结果100多年来，化学家一直在寻找替代技术，试图解决极端反应条件的问题

从氮转化为含氮化合物的可能过程。

在《自然纳米技术》上发表的一项研究中，一个由几个研究机构组成的国际团队采取了不同的方法他们在装有铁球的球磨机中设计了一种机械化学策略，在温和的条件下合成氨——以铁粉为催化剂，在1个标准大气压，45℃的初始反应条件下得到82.5%的氨

为了在温和的条件下实现合成氨，化学家们尝试了很多方法其中，氨的电化学合成引起了大量科学家的兴趣但即使是精心设计的实验，最终也只能得到非常少的氨——甚至在实验之前，研究人员可能就要为如何检测出如此少量的氨而发愁了即使检测到少量的氨，也很可能不是由氮和氢转化而来的因此，电化学氨合成的结果总是受到质疑

化学法则是另一种合成策略驱动反应过程的能量来自机械能，而不是高温提供的热能一种常用的机械化学方法是球磨:铁球，反应容器壁和催化剂颗粒碰撞产生局部热量，产生高活性缺陷位点，或暴露新的活性表面，从而降低反应所需的苛刻条件

与球和粉末的碰撞。

在这项新研究中，与Haber—Bosch方法的一步反应相比，研究人员将整个合成过程分为两步:氮气的离解和氨的制备。

这项新研究将整个合成过程分为两步。

科学家已经知道机械碰撞可以产生高密度的缺陷，缺陷部位有利于激活氮分子，更容易解离成氮原子因此，研究人员设计的第一步是利用铁球和铁粉的碰撞产生铁催化剂的缺陷位，从而加速氮分子的解离，生成氮化铁颗粒

随后，研究人员将氢气引入球磨机进行第二次氢化反应，即氮化铁与氢气发生反应在形成氨的过程中，氮原子和氢原子会率先形成各种中间态这些中间产物会被强有力地吸附在缺陷位点上，并且很难离开这些活性位点来抑制氢化反应

但在本研究中，铁球与催化剂颗粒之间的剧烈挤压过程会提供一定的能量，使强吸附的中间态从缺陷位脱落，从而复活活性位，促进氨的生成这样，研究人员既不需要高温来脱落中间态，也不需要向高压妥协，从而大大降低了反应条件

英国贝尔法斯特女王大学机械化学专家斯图尔特·詹姆斯认为，这项研究的成果非常显著——将原来的高温高压条件降低到更低的温度和压力，并不是一件容易的事情但詹姆斯指出，要实现机械化学法合成氨的工业化生产，其他机械化学法可能比球磨更容易

虽然机械化学在其他领域已经取得了很大的进展，但是到目前为止，机械化学固氮的研究案例屈指可数——可能只有5个案例对于未来的研究，白忠范教授表示，他们正在寻找更高效的催化剂，同时正在设计可以连续合成氨的装置，以满足工业要求

合成氨技术会改变吗。

事实上，经过多年的研究，哈伯—博世合成氨工艺已经相当成熟现在，一个工厂每天可以生产3000吨氨，全球年产量加起来超过1亿吨有科学家表示，在未来几十年内，行业不太可能对这一重要反应做出太大改变，因为这已经是一个非常优化的过程——70%的能效几乎是人无法比拟的目前来看，可能没有什么办法让哈伯—博施法这艘大船掉头

但是，化学家不会在这里停止研究，因为谁也不知道更远的未来会发生什么更何况，每一个新发现都会让人激动，这也许就是基础研究的美妙之处

目前，人类与饥饿的战争仍未停止可是，最近几年来农业中的氮素污染引起了气候学家的关注，因此是否使用氮肥以及如何合理使用氮肥仍有待解决这将是一场与气候变化的持久战，科技也面临转型的困境

原始纸张:

参考链接: