氮气尽管在大气中占据了78%的份额，却因其超级稳定性不易被我们直接使用。化学固氮技术能将氮气转化为其他含氮化合物，这些化合物对农业、工业和生活都至关重要。在这个基础上，化学家们持续探索更为高效的固氮方法，展现出化学的魅力和深层奥秘。
2023年12月20日下午4点，本学期第四期“周三茶座”有幸邀请到了北京大学化学与分子工程学院特聘教授，中国科学院院士席振峰为大家讲解“魅力化学-固氮”。中国科学院院士、北京大学物理学院王恩哥教授主持了此次茶座。
主讲人席振峰教授
本次茶座兼顾专业与非专业人群。席振峰教授从他们实验室的徽标出发，向与会者介绍了他们实验室的研究方向和特点。他详细阐述了固氮化学的重要意义和当前面临的挑战，并分享了他们课题组在固氮化学方面所取得的研究进展，激发了听众们的热烈讨论。
一、实验室徽标解读
在茶座的开始，席振峰教授向我们介绍了他们实验室的徽标。徽标由外围的文字和中心的剪刀两部分组成。外围的“PKU XI GROUP”和“1998.4”表示北京大学化学学院席振峰研究室成立于1998年4月。而“CHEM IS TRY”这些字母不仅形成了“化学”的字样，同时也在强调化学是一门实验科学。
席振峰教授研究室徽标
在徽标中心的剪刀有着三层含义：第一，代表席振峰教授研究室科学研究工作的长期目标。即利用金属有机化合物选择性地“裁剪”化学键，研究新一代物质转化途径。剪刀的两片金属一长一短，代表研究工作的关键词“选择性”。第二，代表此研究室管理和研究工作的理念——“协同效应”。正如剪刀本身是通过两片金属与中间铆钉的协同实现其功能的。第三，剪刀的绿色表示此研究室在科研活动中重视环境问题。许多人都对化学研究、化学生产对环境的影响报以顾虑。但环境保护事在人为。只要设计科学合理的操作流程，并且严格遵守，就能消除对环境的影响。席振峰教授以实验室历史中环境保护的决策和行动为例，阐明了他们对环境保护的重视程度。
二、固氮问题的价值与挑战
席教授进一步将茶座议题引向固氮问题本身的价值与挑战。氮是构成生命以及物质世界的重要基础。氮气占空气成分体积比78%以上，占地球上总氮的99%以上，是最丰富的氮源，可谓取之不尽用之不竭。但自然界中的生产过程不能满足现代社会的需求，因此化学固氮技术显得尤为关键。他提到，工业合成氨技术的发展奠定了现代农业基础，极大地推动了社会进步并解决了一半的全球人口粮食问题。
目前工业合成氨的主要手段是通过水煤气生成氢气，在高温、高压条件下，借助催化剂将氮气与氢气反应合成氨气，并将氨气用于下游合成中。然而合成氨工业占地球总耗能约2%，占全球二氧化碳排放量约2%。
不同于常见流程，席振峰教授课题组主攻另一条路径：将自然界中的氮气不经过氨气，而直接或间接合成含氮有机化合物。这条路径具有重要意义，不仅突破了化学键活化的极限，而且还有助于节能减排，契合国家双碳战略。席振峰教授说，目前直接合成含氮产物没有固定方案，需要针对性尝试多种条件。
三、固氮研究的成果分享
席教授向我们分享了他们课题组的研究成果。他们与中科院大连化物所陈萍/郭建平团队合作，实现了不经过氨直接从氮气与合适碳源高效合成氮化物。
多相与均相的结合实现直接以氮气为氮源合成嘧啶
席振峰教授告诉我们，这项研究成果得益于学科交叉。陈萍团队专注于多相反应，为他们打开了新的思路。该项研究首先利用多相合成方法，将氮气分子与石墨和氢化锂反应，实现了克级规模制备“活性氮物种”Li2CN2，随后采用均相合成方法，使Li2CN2与有机底物进一步发生反应，高效合成碳二亚胺和 RNA/DNA 结构单元胸腺嘧啶和胞嘧啶。
但学科交叉合作中也不乏挑战，席振峰教授提到如何克服“语言壁垒”，不同的学科使用不同的“语言”，比如均相化学研究者对于化学键的描述和理解就不同于多相化学研究者，而这是交叉融合的基础，需要花大力气相互理解。
虽然这份工作具有重要的科学意义和应用前景，并为后续固氮化学研究提供了新的范式，然而距离实际应用还有很多工作要做。席振峰教授告诉我们，不经过氨的高效固氮化学技术要想实现，最重要的是信念。他们将继续以坚定的理想信念，探索固氮化学技术的新突破。
讲座现场掠影：席振峰教授强调信念的重要性
茶座结束后，听众们与席振峰教授展开了激烈讨论。一位年轻学者提问：在挑战困难课题的时候，很难出成果，这时候该如何保持学生的攻坚信心？席教授建议首先挑选有挑战精神的学生，并提前向他们说明研究的难度。同时，席教授提倡研究“副产物”的策略，即在攻坚过程中也关注可能产生的其他有价值的科研成果。
也有其他学者针对席振峰教授研究课题进行了讨论。例如使用氮同位素进行标记追踪，尝试研究机理。假设此反应在石墨的表面进行，那么将石墨换成石墨烯是否会提高反应效率？同时石墨烯更容易保留反应信息，利于对具体发生的反应进行追踪。本次茶座碰撞出的思想火花，无疑为未来的研究提供了丰富的思考和灵感。
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