合成氨是化学工业的支柱之一，也是能源消耗和二氧化碳排放的重点行业（能耗约占全球能源消耗的2%）。N≡N三键的键能高达945 kJ/mol，常规路径几乎无法在常温常压下将其断裂。发展新反应路线、开发新型催化剂，摆脱对Haber-Bosch传统路线的依赖，始终是合成氨的研究热点。纳米气泡作为高曲率气液界面分散体系，具有绿色、高内压、富含表面自由基等特点，在经典化工气-液反应中有广阔的潜力。近期，国家纳米科学中心科研人员利用体相纳米气泡产生和消逝时的高限域瞬态能量，在N2、H2、O2等小分子无催化活化与转化方面取得重要突破，实现水相高选择性合成氨，成果发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。
传统胶体与界面化学关注宏观气-液界面的吸附、传质与反应，纳米气泡化学的独特性在于，当气泡尺寸缩小到百纳米量级时，根据杨-拉普拉斯方程其内压可达几十甚至数百个大气压，且气泡表面形成特殊的边界层结构，在纳米气泡生成与崩塌过程中释放大量高活性自由基，使之成为一种自带高压与自由基源的高效"微反应器"，能够在水中温和条件下驱动传统需要高温、高压、高能量输入才能进行的化学反应，且表现出独特的选择性。该研究方向的难点在于纳米气泡的生成、消逝、塌陷更加随机，表面物种和能量释放更加瞬态和痕量。针对此挑战，葛广路、陈岚团队近年来持续攻关，在纳米气泡化学这一方向逐步形成了从“0”到“1”的完整技术创新链路。
该团队前期通过溶剂弛豫NMR技术定量测定了体相纳米气泡边界层厚度（35~45 nm）与水分子弛豫行为（比自由水低两个数量级），建立了气泡边界层模型（Journal of Colloid and Interface Science 2022，10.1016/j.jcis.2021.11.072），为纳米气泡长期稳定性提供了理论依据。同时通过调控纳米气泡的界面电荷，使H2纳米气泡与O2纳米气泡在室温、水相、无点火条件下生成水，从而证明了纳米气泡的高内压与边界层自由基可以在常温常压水溶液中“点燃”发生气-气反应（ChemPhysChem 2023，10.1002/cphc.202300429）
在上述工作基础上，团队将N2与H2混合气形成微纳气泡进行常温低压固氮反应（合成氨的选择性约60%），在无需催化剂，完全依靠纳米气泡自身能量实现N2/H2到NH₃的高效活化转化。产物通过Nessler试剂显色、FTIR、1H NMR、离子色谱、15N同位素标记等多重手段交叉确认。研究显示约80%的氨在停止发泡后的静置阶段产生，证实纳米气泡凭借边界层带来的高稳定性，在储存过程中持续崩塌并释放自由基驱动反应。
EPR捕获及DFT计算揭示，纳米气泡崩塌原位生成的H·自由基化学势高达~2.3 eV，足以直接供给N≡N键分步活化所需的能量（能垒1.59 eV），从而绕过了传统热解所需的高能量输入及催化剂等条件。这些工作揭示了纳米气泡作为天然“微反应器”的价值不仅在于提供局域高温高压，及通过自由基化学势的精准供给，为高能垒反应开辟全新活化路径，还在于它提出了一种在常温低压下，借助纳米气泡在水中崩塌产生的高瞬态能量流，完成传统条件难以实现反应的新化学反应范式。
图1. H2/N2纳米气泡无催化合成氨示意图，Journal of the American Chemical Society 2026（DOI：10.1021/jacs.6c06081）
本文第一作者是纳米中心博士生金尚坤，陈岚研究员和葛广路研究员为通讯作者，上述工作得到了国家纳米科学中心、国家重点研发计划等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c06081
