怎样看待东京大学研究团队用氮与水在常温常压下合成氨的工作？
东京大学研究团队在常温常压下实现氮与水合成氨的突破，这绝对是近年来催化领域最振奋人心的消息之一，其意义之深远，值得我们细细品味。
首先，我们得明白氨合成的传统技术——哈伯博世法。这项技术自1913年问世以来，一直是现代工业的基石，支撑着化肥生产，从而养活了全球近一半的人口。然而，哈伯博世法就像一位老迈但不可或缺的巨人，它的运行条件异常苛刻：需要高达400500摄氏度的高温和200400个大气压的高压。这意味着巨大的能量消耗，同时为了维持这些极端条件，需要大量的化石燃料来提供动力和热量，进而产生大量的温室气体排放。所以，尽管它功勋卓著，但其环境足迹也越来越成为我们不得不面对的问题。
正是在这样的背景下，东京大学团队的研究才显得尤为可贵。他们能够实现在常温常压下，利用氮气（N₂）和水（H₂O）这两个地球上最丰富的原料来生产氨（NH₃），这无疑是颠覆性的。这意味着我们有可能摆脱对高能耗、高污染生产方式的依赖。
这项工作的核心在于他们开发出的一种高效催化剂。虽然目前研究细节尚未完全公开，但可以推测，这种催化剂能够有效地活化氮气分子。氮气分子非常稳定，断裂其高能的氮氮三键是氨合成的关键难点。传统的哈伯博世法依赖高温高压来克服这个障碍。而东京大学的团队，通过精妙的设计，似乎找到了一种“温和”的方式来“撬动”这个看似牢不可破的键。
大家可能知道，水的氧化反应（析氧反应，OER）或水的还原反应（析氢反应，HER）在电化学领域早已被广泛研究。通常，在电化学合成氨的早期尝试中，人们会利用水作为质子源，但也会产生大量的氢气副产物，这不仅浪费了能量，也增加了分离氨的复杂性。东京大学团队的这项工作，巧妙地将水的氧化和氮的还原耦合起来，甚至可能直接利用了水分子中的某些结构或性质，将其分解产生的“活性氧”或“活性氢”与氮气反应，而不需要产生大量的氢气。这其中可能涉及到对水分子在催化剂表面形成的独特吸附和反应路径的深入理解。
如果这项技术真的能够大规模应用，其带来的影响将是革命性的。
首先，能源效率的提升将是巨大的。常温常压意味着对能源的需求会大大降低，这不仅能节约成本，更能显著减少碳排放。想象一下，未来的氨生产可以在更小的规模、更分散的地点进行，甚至可以利用可再生能源（如太阳能、风能）产生的电力来进行电化学合成，实现真正的绿色氨生产。
其次，对化肥产业的重塑。化肥是现代农业的命脉。如果氨的生产成本大幅降低且更加环保，化肥的供应将更加稳定和易得，这对于保障全球粮食安全至关重要，尤其是在那些资源匮乏的地区。
再者，氨作为能源载体的潜力。近年来，氨被视为一种非常有潜力的清洁能源载体。它可以液化储存和运输，燃烧时只会产生氮气和水，不排放二氧化碳。这项技术如果成熟，将极大地推动氨在能源领域的应用，例如作为氢载体，或者直接作为燃料。
当然，我们也需要保持审慎的乐观。从实验室的突破到大规模的工业化生产，还有漫长的道路要走。催化剂的寿命、稳定性、成本，以及反应的产率和选择性，都需要经过严格的验证和优化。而且，大规模工业应用还需要考虑设备的设计、物料输送、安全控制等一系列工程问题。
但无论如何，东京大学团队的研究无疑为我们指明了一个令人兴奋的新方向。它再次证明了科学研究的巨大力量，也让我们看到了在应对气候变化和保障可持续发展方面，人类智慧的无限可能。这项工作不仅仅是一篇科学论文，它更像是一颗种子，承载着我们对更清洁、更高效、更可持续未来的希望。
首先，我们得明白氨合成的传统技术——哈伯博世法。这项技术自1913年问世以来，一直是现代工业的基石，支撑着化肥生产，从而养活了全球近一半的人口。然而，哈伯博世法就像一位老迈但不可或缺的巨人，它的运行条件异常苛刻：需要高达400500摄氏度的高温和200400个大气压的高压。这意味着巨大的能量消耗，同时为了维持这些极端条件，需要大量的化石燃料来提供动力和热量，进而产生大量的温室气体排放。所以，尽管它功勋卓著，但其环境足迹也越来越成为我们不得不面对的问题。
正是在这样的背景下，东京大学团队的研究才显得尤为可贵。他们能够实现在常温常压下，利用氮气（N₂）和水（H₂O）这两个地球上最丰富的原料来生产氨（NH₃），这无疑是颠覆性的。这意味着我们有可能摆脱对高能耗、高污染生产方式的依赖。
这项工作的核心在于他们开发出的一种高效催化剂。虽然目前研究细节尚未完全公开，但可以推测，这种催化剂能够有效地活化氮气分子。氮气分子非常稳定，断裂其高能的氮氮三键是氨合成的关键难点。传统的哈伯博世法依赖高温高压来克服这个障碍。而东京大学的团队，通过精妙的设计，似乎找到了一种“温和”的方式来“撬动”这个看似牢不可破的键。
大家可能知道，水的氧化反应（析氧反应，OER）或水的还原反应（析氢反应，HER）在电化学领域早已被广泛研究。通常，在电化学合成氨的早期尝试中，人们会利用水作为质子源，但也会产生大量的氢气副产物，这不仅浪费了能量，也增加了分离氨的复杂性。东京大学团队的这项工作，巧妙地将水的氧化和氮的还原耦合起来，甚至可能直接利用了水分子中的某些结构或性质，将其分解产生的“活性氧”或“活性氢”与氮气反应，而不需要产生大量的氢气。这其中可能涉及到对水分子在催化剂表面形成的独特吸附和反应路径的深入理解。
如果这项技术真的能够大规模应用，其带来的影响将是革命性的。
首先，能源效率的提升将是巨大的。常温常压意味着对能源的需求会大大降低，这不仅能节约成本，更能显著减少碳排放。想象一下，未来的氨生产可以在更小的规模、更分散的地点进行，甚至可以利用可再生能源（如太阳能、风能）产生的电力来进行电化学合成，实现真正的绿色氨生产。
其次，对化肥产业的重塑。化肥是现代农业的命脉。如果氨的生产成本大幅降低且更加环保，化肥的供应将更加稳定和易得，这对于保障全球粮食安全至关重要，尤其是在那些资源匮乏的地区。
再者，氨作为能源载体的潜力。近年来，氨被视为一种非常有潜力的清洁能源载体。它可以液化储存和运输，燃烧时只会产生氮气和水，不排放二氧化碳。这项技术如果成熟，将极大地推动氨在能源领域的应用，例如作为氢载体，或者直接作为燃料。
当然，我们也需要保持审慎的乐观。从实验室的突破到大规模的工业化生产，还有漫长的道路要走。催化剂的寿命、稳定性、成本，以及反应的产率和选择性，都需要经过严格的验证和优化。而且，大规模工业应用还需要考虑设备的设计、物料输送、安全控制等一系列工程问题。
但无论如何，东京大学团队的研究无疑为我们指明了一个令人兴奋的新方向。它再次证明了科学研究的巨大力量，也让我们看到了在应对气候变化和保障可持续发展方面，人类智慧的无限可能。这项工作不仅仅是一篇科学论文，它更像是一颗种子，承载着我们对更清洁、更高效、更可持续未来的希望。
网友意见
这个文章的意义主要还是在于基础研究方面的，发在nature正刊上当然很有水平，结果数据和机理解释都是顶级的。作为在一篇顶级期刊发表的基础研究类论文，唯一美中不足的就是这日本人的文章好像读起来文采总差点意思。
创新点主要有两个：1）高效率，比已经报道的高一两个数量级；2）常温常压水相反应，比高耗能的传统工业方式环保。
但是我看了一遍这论文也不是没有质疑的地方。作者称这钼基二碘化钐催化剂体系，并声称把人工合成氨效率提高了一两个数量级，达到了生物固氮酶的水平。但是我很怀疑这里的提高是比较于同样的温和条件下的反应而已，作者没有言明。但是考虑到目前人类的合成氨工业本身绝大多数并非在温和条件下，而是采取高温高压的反应，效率并不低，只是耗能而已。当然作者又说这是本文的一大创新点，即可以在常温常压这种ambient条件下反应。这种提法虽然也不算错，但是总是有点田忌赛马取巧的意思，其实是一种典型的科研话术。
The amount of ammonia produced and its rate of formation are one and two orders of magnitude larger, respectively, than those achieved in artificial reaction systems reported so far, and the formation rate approaches that observed with nitrogenase enzymes.
当然我们也不能求全责备，一篇文章也不能解决所有问题，作者也讲清楚了，用中文说也就是抛砖引玉的意思：
Although the current reaction is not suitable for use on an industrial scale, this work demonstrates an opportunity for further research into catalytic nitrogen fixation.
我猜测最大的问题在于1）催化剂稳定性 （有碘），2）贵（有稀土元素）。这个催化剂如果稳定性不佳，价钱又比黄金还贵，其实是没有工业应用价值的。当然如果如上两个问题都解决了的话，作者也就不发文章了，藏着掖着，去开公司做亿万富翁岂不乐哉？！
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