地球大气中含有大量以氮气(N2)形式存在的氮。将N2转化为氨(NH3)对于生产农业所需的肥料至关重要。

目前，氨的生产需要消耗全球2%的能源，并产生大量温室气体。自然界中，固氮酶可以利用储存在三磷酸腺苷(ATP)中的能量来驱动反应，从而催化氨的生产。

ATP是存在于所有生命形式的天然分子。可以用阳光能量代替ATP，实现低能耗且不产生温室气体的过程。

然而，研究人员仍在开发这些基于阳光的过程。

在《美国化学学会杂志》发表的一项研究中，科学家创造了一种独特的生物混合物，将纳米晶体与固氮酶结合。纳米晶体利用阳光将电荷转移给酶并完成反应。该研究确定了纳米晶体与固氮酶结合的特性，帮助科学家对这种复杂的NH3生成反应有了新的认识。

这种生物混合方法利用阳光来驱动耗能的转化反应，从而减少温室气体的共同生产。制造氨的标准方法是哈伯-博施法。该工艺每年生产约1.5亿公吨(MmT)的氨，但需要大量能源，还会产生约2.8亿公吨的二氧化碳(CO2)。

新工艺利用阳光催化NH3生成，不会产生CO2。这也是一种在靠近使用地点生产NH3肥料的有吸引力的方法，可最大限度地减少运输到农场产生的CO2排放。要使这一工艺成为现实，需要了解如何结合阳光来驱动反应。

为了利用阳光生产氨，研究科学家开发了一种由纳米晶体和Mo-固氮酶组成的生物混合系统。这种酶具有一种独特的金属簇，称为FeMo-辅因子，需要八个电子和八个质子才能将N2还原为氨。

研究人员利用这种纳米晶体/酶系统确定如何将光生电子引导至FeMo辅因子并研究相关机制。为了使系统依赖光，纳米颗粒和酶必须在化学上相容并形成稳定的反应复合物。这项研究探索了如何制造与酶结合的纳米颗粒。

这种方法为如何合成调整纳米晶体以结合酶并选择性地转移电荷提供了见解。利用这一进展，研究人员可以详细研究该过程。在冷冻状态下，可以通过电子顺磁共振光谱技术捕获并详细分析FeMo-辅因子反应中间体。

该技术基础使研究人员能够识别反应中间体、反应步骤的活化能以及N2还原反应动力学模型的演变。