Catalyst-Free Activation and Fixation of Nitrogen by Laser-Induced Conversion

化学 固氮 固定(群体遗传学) 氮气 催化作用 光化学 生物化学 有机化学 基因
作者
Weiwei Cao,Yinwu Li,Bo Yan,Zhiping Zeng,Pu Liu,Rui Li,Jiuxing Jiang,Zhuofeng Ke,Guowei Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (21): 14765-14775 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.4c02631
摘要

Ultrafast N2 fixation reactions are quite challenging. Currently used methods for N2 fixation are limited, and strong dinitrogen bonds usually need to be activated via extreme temperature or pressure or by the use of an energy-consuming process with sophisticated catalysts. Herein, we report a novel laser-based chemical method for N2 fixation under ambient conditions without catalysts, this method is called laser bubbling in liquids (LBL), and it directly activates N2 in water (H2O) and efficiently converts N2 into valuable NH3 (max: 4.2 mmol h–1) and NO3– (0.17 mmol h–1). Remarkably, the highest yields of NH3 and NO3– are 4 orders of magnitude greater than the best values for electrocatalysis reported to date. Notably, we further validate the experimental mechanism by using optical emission spectroscopy to detect the production of intermediate plasma and by employing isotope tracing. We also establish that an extremely high-temperature environment far from thermodynamic equilibrium inside a laser-induced bubble and the kinetic process of rapid quenching of bubbles is crucial for N2 activation and fixation to generate NH3 and NOx via LBL. Based on these results, it is shown that LBL is a simple, safe, efficient, green, and sustainable technology that enables the rapid conversion of the renewable feedstocks H2O and N2 to NH3 and NO3–, facilitating new prospects for chemical N2 fixation.
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