1．定义：氮的固定是指将游离态的氮转化为化合态氮的方法。
2．方法：氮的固定主要方法有：
（1）人工合成氨 ：化学固氨法。其条件要求高、成本高、转化率低、效率低。 
（2）根瘤菌，生物固氨。常温常压下进行。成本低、转化率高、效率高。
3．工业应用：模拟生物的功能，把生物的功能原理用于化学工业生产，借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。 二、合成氨的反应原理
1．加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氨气的混合气体，可以看到湿润的PH试纸变蓝色
2．用氢 气和氨气合成氨的反应式是
3．工业上，采用以铁为主的催化剂，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的条件下合成氨。
（1）催化剂的主要作用：成千上万倍地加快化学反应速率，缩短达平衡的时间，提高日产量。
（2）合成氨的适宜条件：以铁为主的催化剂，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的条件
（3）选择适宜生产条件的原则：有较高的反应速率和平衡转化率，能最大限度地提高利润。
（4）合成氨生产时，不采用尽可能高的压强，通常采用10MPa~30MPa 的压强，否则会增大设备的动力要求，增大成本。
（5）合成氨的反应为放热反应，降低温度促使平衡向有移动，有利于N2、H2转化为NH3；但降温必然减缓了反应速率，影响单位时间产率。生产中将二者综合考虑，既要保证N₂、H₂的转化率，又要保证较快的反应速率，只能选择适中的温度400～500℃左右。应注意该温度为催化剂活化温度，低于此温度，催化剂不起作用。
（6）催化剂是影响反应速率的几个因素中，对反应速率影响程度最大的。
催化剂的特点： 
①选择性：不 同的反应选择不同的催化剂，如合成氨选择了铁触媒。每种催化剂都是对特定的反应有催化作用，并非能改变任何化学反应的速率。 
②灵敏性：催化剂中混入杂质，常常会失去催化作 用，称催化剂“中毒”，因此  反应气体进入反应器前必须净化。 ③催化剂只有在活化温度以上才能起催化作用，如铁触媒活化温度为400～500℃，因此该温度为合成氨的适宜温度。 

1．定义：氮的固定是指将游离态的氮转化为化合态氮的方法。
2．方法：氨的固定主要方法有：
（1）人工合成氨 ：化学固氨法。其条件要求高、成本高、转化率低、效率低。 
（2）根瘤菌，生物固氨。常温常压下进行。成本低、转化率高、效率高。
3．工业应用：模拟生物的功能，把生物的功能原理用于化学工业生产，借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。 二、合成氨的反应原理
1．加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氨气的混合气体，可以看到湿润的PH试纸变蓝色
2．用氢 气和氨气合成氨的反应式是
3．工业上，采用以铁为主的催化剂，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的条件下合成氨。
（1）催化剂的主要作用：成千上万倍地加快化学反应速率，缩短达平衡的时间，提高日产量。
（2）合成氨的适宜条件：以铁为主的催化剂，在400～500℃和10Mpa～30 Mpa的条件
（3）选择适宜生产条件的原则：有较高的反应速率和平衡转化率，能最大限度地提高利润。
（4）合成氨生产时，不采用尽可能高的压强，通常采用10MPa~30MPa 的压强，否则会增大设备的动力要求，增大成本。
（5）合成氨的反应为放热反应，降低温度促使平衡向有移动，有利于N2、H2转化为NH3；但降温必然减缓了反应速率，影响单位时间产率。生产中将二者综合考虑，既要保证N₂、H₂的转化率，又要保证较快的反应速率，只能选择适中的温度400～500℃左右。应注意该温度为催化剂活化温度，低于此温度，催化剂不起作用。
（6）催化剂是影响反应速率的几个因素中，对反应速率影响程度最大的。
催化剂的特点： 
①选择性：不 同的反应选择不同的催化剂，如合成氨选择了铁触媒。每种催化剂都是对特定的反应有催化作用，并非能改变任何化学反应的速率。 
②灵敏性：催化剂中混入杂质，常常会失去催化作 用，称催化剂“中毒”，因此  反应气体进入反应器前必须净化。 ③催化剂只有在活化温度以上才能起催化作用，如铁触媒活化温度为400～500℃，因此该温度为合成氨的适宜温度。 
三、合成氨的基本生产过程
1．合成氨三个主要步骤是
2．制备合成氨的原料气
（1）制取N₂：一种是物理方法为将空气液化，蒸发分离出氧气；另一种是化学方法为碳在空气中燃烧，O₂充分反应后除去CO₂制取氮气。
②也可用石油、天然气、焦炉气、炼厂气等所含有的大量的碳氢化合物与水蒸汽在催化剂作用下制备。以甲烷为例写出其主要反应：CH₄+H₂O==3H₂+CO

1、了解合成氨的反应原理。
2、掌握化学固氮定义。
3、能运用相关知识解决简单问题。

　　氨是世界上产量最大的化工产品之一，在全球经济中占有重要地位。到目前为止，最成熟的人工固氮合成氨（NH₃）工艺是哈伯-博施（Haber-Bosch）法（即在高温、高压条件下利用铁基催化剂将高纯度的氮气和氢气转化为氨气），然而由于其工作条件非常苛刻（200-300 atm、350-550℃），并产生巨大的能耗，因此，发展高能源利用效率、低CO₂排放和直接利用空气中N₂在常温常压下合成NH₃是非常必要的，同时也具有一定的挑战性。

　　近年来，光催化氮还原反应（NRR）被认为是在常温常压条件下可持续合成氨的最有前途的方法之一。其中，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为一种典型的二维非金属聚合物半导体光催化剂，因其具有元素来源丰富、可见光响应高、光/化学稳定性强、制备方法廉价等优势，在合成氨光催化反应中展现出巨大潜力。然而，g-C₃N₄基光催化剂用于合成氨反应还存在一些关键性问题，包括：（1）g-C₃N₄表面暴露的活性N原子（例如边缘N和氨基N）是否会在光催化过程中发生加氢反应从而合成了NH₃分子？（2）如果暴露的活性N原子在光催化NRR过程中确实参与了合成NH₃，是否能开发出稳定这些活性N原子有效的方法，同时构建新的N₂吸附、活化和加氢的活性位点？（3）纯块体g-C₃N₄的比表面积非常低，不利于N₂的吸附、活化，并且光生载流子的复合率高，导致光催化效率相对较低。

　　基于上述问题，课题组通过引入硼（B）原子掺杂制备出B原子掺杂g-C₃N₄纳米片光催化剂（BCN）应用于固氮合成氨反应，并结合理论计算方法（分子动力学模拟）对相关结果进行了理论预测和展望。一系列实验及分子动力学模拟证明：B掺杂构建的B-N-C键不仅能够稳定地锚定C₃N₄表面暴露的活性N原子，同时通过形成纳米级别的p-n结可以有效抑制g-C₃N₄的光生载流子复合。N₂化学吸附测试及分子动力学模拟证明：B原子位点的引入成为了N₂分子吸附和活化的活性位点，有利于光催化合成氨反应的进行。因此，制备的BCN光催化剂的产氨效率达到了313.9 g^–1 h^–1，约为纯g-C₃N₄纳米片（CN）光催化效率的10倍。此工作通过非金属原子掺杂策略调控半导体的能带结构及光/电化学性质，显著提升了光催化固氮合成氨的活性，为未来常温常压下开发新的合成氨催化剂提供了新的思路和重要的参考价值。

　　该项目工作得到国家自然科学基金和中科院创新研究团队国际合作项目的资助。

　　（a）BCN样品的TEM图片；（b）CN和BCN样品的漫反射光谱对比；c）CN和BCN样品的荧光光谱对比；（d）CN和BCN样品的光电流响应对比；（e）CN和BCN样品的N₂化学吸附测试对比；（f）BCN催化剂在水分子、氮气分子及牺牲剂环境中分子动力学模拟结果模型。