近日，我院田中群院士团队范凤茹教授与武汉大学魏振威教授、北京师范大学朱重钦教授合作，在微液滴介导化学反应领域取得重要进展，相关成果以“Catalyst-Free Nitrogen Fixation by Microdroplets through a Radical-Mediated Disproportionation Mechanism under Ambient Conditions”为题，发表在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.4c15514）。
氮气固定在维持生态系统稳定和支持人类可持续发展中起着至关重要的作用。然而，N≡N键的高键能（945 kJ/mol）使得N2分子化学惰性极强，难以直接利用。目前工业合成氨的Haber-Bosch工艺需要在高温、高压条件下运行，能源消耗巨大并带来环境污染。因此，开发一种能在常温常压下直接利用空气中的N2和O2，以及H2O作为反应物的新型固氮技术，具有重要的研究意义。近年来的研究发现，水微液滴因其独特的物理化学性质（如表面电荷分布、界面强电场及局部pH梯度），能够显著加速化学反应动力学过程，是探索低能耗固氮新路径的理想体系。
本研究利用超声雾化技术，在常温常压下通过微液滴实现了无催化剂氮气固定。空气和水作为反应物，生成还原产物NH4+以及氧化产物NO2–和NO3–，总固氮量达6.99 µmol/h，同时副产物为H2O2（4.29 µmol/h）。研究人员通过电子顺磁共振（EPR）波谱技术，捕捉到反应过程中生成的活性自由基物种（•H, •OH, O2-•，1O2, NO自由基），并结合原位质谱与同位素标记实验（15N2和D2O），鉴定出一系列含氮中间体（HN=NOH+•, H2N-N(OH)2+•, HNO+, NH2OH+•）。结合理论计算，团队提出了一个自由基介导的氮气歧化反应机制。此外，通过模拟自然冷凝微液滴的实验，研究发现类似的氮气固定现象在自然条件下也能发生，尽管产率低于超声雾化微液滴方法。这一研究不仅为人工固氮提供了新的途径，还可能揭示此前未被认识的天然固氮机制，拓展了对自然界氮循环的认知。
本工作由田中群院士、范凤茹教授、魏振威教授（质谱表征）和朱重钦教授（理论计算）共同指导完成。我院2024届博士王彦杰、2023级硕士生罗槿和北京师范大学的方业广博士为论文共同第一作者。此外，中科院稀土所南子昂助理研究员、博士生陈婷、武汉大学博士生崔曦、我院2024届博士宋现孟、以及嘉庚创新实验室陈大良工程师等学者也作出重要贡献。该工作得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金和表界面化学全国重点实验室的支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c15514
