肥料含有植物生長所需之營養(yǎng)元素，普遍施用于作物生產(chǎn)，肥料的成分組成比例乃參考各別作物之生長特性及農(nóng)地原始肥力，將氮、磷、鉀三種元素進行比例上的調(diào)配，其中氮元素是植物生長所需之巨量營養(yǎng)素。在自然界中，除豆科植物可利用與其共生的根瘤菌將氮氣固氮吸收外，多數(shù)植物無法直接利用氮氣作為氮源，而是透過吸收溶于水中的硝酸態(tài)與銨態(tài)2種含氮化合物獲得氮源。1900年代初期，德國化學(xué)家哈伯發(fā)明以三價鐵做催化劑，在高溫、高壓下，成功將氮氣制備成氨，并進行工業(yè)化制氨生產(chǎn)，這是大規(guī)模人工固氮法的應(yīng)用。隨著人工固氮的發(fā)明、各式肥料產(chǎn)品的研發(fā)與工業(yè)化應(yīng)用下，農(nóng)糧生產(chǎn)從此有了重大突破。雖然哈伯法制氨已應(yīng)用百余年，但由于氨的制備過程屬高耗能，純化上過程中產(chǎn)生的硫化物，容易對周邊環(huán)境造成污染，為此人們設(shè)法開發(fā)環(huán)保且低成本的制氨法。 美國喬治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)、范德堡大學(xué)(Vanderbilt University)及勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的聯(lián)合研究團隊發(fā)現(xiàn)，以摻有些許碳雜質(zhì)的(titania, titanium dioxide)作為光觸媒，可催化固氮反應(yīng)之進行，研究中也討論碳在其中的重要性。生活上，作為光觸媒(光催化劑)，在凈化空氣的反應(yīng)中扮演催化劑的角色；而在固氮的研究方面，雖然早在75年前就有印度學(xué)者觀察到的固氮現(xiàn)象，從這時候開始科學(xué)家們便提出催化的各種假設(shè)與可能，并進行許多實驗驗證，然而一直無法找出光催化固氮反應(yīng)的關(guān)鍵機制。研究團隊以近室壓X光光電子能譜(ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy, AP-XPS)觀測在固氮作用進行時，表面組成變化時發(fā)現(xiàn)，在光催化初期，的表面無其他雜質(zhì)，這時并未如期發(fā)生固氮的現(xiàn)象，然而隨著時間進行，研究團隊觀察到表面開始出現(xiàn)碳污染，也在此刻觀察到固氮作用的發(fā)生。研究團隊推測表面可能受環(huán)境中碳?xì)浠衔锏奈廴荆砻嬉虼诵纬蓭в刑茧s質(zhì)的，在光照下發(fā)生固氮作用。 研究團隊的這項發(fā)現(xiàn)，解開這75年來的疑惑，并希望能在后續(xù)研究中深入了解碳在催化過程中所扮演的機制，盼將來有機會改良固碳效率，并可望在不久的將來把固氮技術(shù)推廣到農(nóng)家。相較于傳統(tǒng)工業(yè)制氨法，以作為光觸媒制氨是較干凈、省能源的作法，表面材料化學(xué)的發(fā)現(xiàn)，可望為將來的肥料生產(chǎn)帶來新的突破。