厉害了，我的催化——“食”篇
2018/7/25 16:45:00 中科院大连化物所
地球母亲的惆怅
随着人口的增长和可用耕地的不断减少，如何用有限的土地养活更多的人成为摆在世界各国面前的一个难题。
现代社会，人类“食”之基础是什么？催化技术如何满足人类对“食”的需求呢？今天，吃货小编带您一探究竟。
肥料
解决农业生产的基础
Fertilizer History
不要小看上面两块类似石头的物质，它们可是维持19世纪初欧洲农业生产的“功臣”。随着世界人口的增多，仅靠最原始的人畜粪便和动植物腐烂物等自然肥料已无法满足随着人口增长而增长的粮食需求。19世纪初欧洲先后通过大量进口秘鲁的鸟粪石(上)和智利的硝石(下)来维持农业生产。
但是人们很快意识到：这些天然的矿石迟早会被消耗殆尽。马尔萨斯在他的《人口原理》中呼吁科学家们立即行动起来，着手研制可大量生产的新型肥料，特别是将空气中大量的氮气转换成作物不可或缺的含氮肥料，将人们从饥饿中解救出来。
于是，合成氨工业应运而生，成为了人类生存发展的“食”之基础!
科普小百科
鸟粪石，亦称鸟兽积粪，聚积的鸟类、蝙蝠和海豹的粪便和尸体，是一种优质肥料，含有大量的尿素和氨。主要产地为秘鲁和下加利福尼亚沿岸各岛屿。
智利硝石，又称钠硝石，与中国的火药不同，其重要成分是硝酸钠，而不是硝酸钾。
简单又困难的合成氨过程
合成氨不就是指将氮气和氢气直接合成氨气的过程 (N2+3H2 ——> 2NH3) 吗，为什么说它困难呢？
没错，从反应方程式来看合成氨反应非常简单，但要实现这一反应却相当“辛苦、困难”。合成氨反应是一个缩体放热的反应，在热力学上，低温、高压对合成氨反应是有利的；但从动力学上考虑，反应本身活化能很高(约335 kJ/mol)，在较低温度下反应速率极慢以至于无法观察。
那么，是这种“苛刻”的反应条件阻碍了合成氨的发展喽？
是的，由于早期的实验设备无法提供反应所需的高温高压条件，一直到1903年，合成氨反应才由德国科学家Fritz Haber在1020摄氏度常压条件下发现并确定下来。下图就是Haber实验室使用的高温高压合成氨反应器。
给“经典菜品”合成氨“加点料”
然而，在如此苛刻的反应条件下，却也只有极微量0.005%氨产生，这显然无法实现合成氨的工业化。
催化技术起着至关重要的作用!
科普小百科
催化剂，可以在不改变热力学的前提下，通过改变反应历程，降低反应活化能，提高反应速率，使动力学上难以发生的反应以较快的反应速率进行。
在合成氨反应发现的两年后，Alwin Mittasch在系统的测试了几千种催化剂配方后发现了最佳的组合，含有K-Al2O3助剂的Fe催化剂，这是现代合成氨工业催化剂成分的雏形；20世纪合成氨主要使用的催化剂仍属于早期发现的铁基催化剂，合成氨铁基催化剂是世界上研究的最成功、最透彻的催化剂之一。
英国BP研究所发现加碱助剂的钌活性炭催化剂具有极佳的氨合成活性，要比传统铁基催化剂的活性高一个数量级。
合成氨里走出的诺贝尔奖获得者
Fritz Haber Carl Bosch Gerhard Ertl
Fritz Haber——因为在开发合成氨工艺中的杰出贡献而获得1918年的诺贝尔化学奖；
Carl Bosch——成功的建造了能在高温条件下操作的大型高压反应器，为实现合成氨工业化奠定了基础；
Gerhard Ertl——对人工固氮技术的原理提供了详细的解释，确定了N2在金属催化剂表面的解离为反应的速控步骤；
迈向未来
在倡导绿色环保、能源革命的当下，如何节能减排成为合成氨的新挑战。研发合适的催化剂，使合成氨过程能够在更加温和的条件下进行，成为越来越多科研工作者努力的方向。
如果可以将电能、光能、辐射能引入固氮过程中，使合成氨少受或不受热力学平衡对转化的影响，可以拓展合成氨合成的研究领域。
同时，生物酶催化、有机金属仿生催化、光催化和电催化等一系列新的催化方式，都为温和条件下催化合成氨提供了无限可能和希望。
总之，催化合成氨工业作为人工化肥生产支柱，是人类生存发展的“食”之基础，伴随着新型催化方式的发现及合成氨工业规模的不断壮大，其必将迎来更加广阔和长远的发展!
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