20世紀初，農業和軍工業發展對氮化合物的需求量越來越大，於是科學家想方設法固定空氣中的氮，方法之一就是氫固定法，即用氫和氮合成氨。氨是合成氮肥的重要原料，同時本身也是一種氮肥，所以制氨法就成了重要研究課題。但合成氨很困難，常溫常壓下氮和氫反應無法制得，讓它們透過電火花也只有少量產生，因此有人認為不可能合成氨。物理化學的發展帶來了新的希望，質量作用定律、化學動力學、化學平衡原理等理論的問世使合成氨的本質日益清晰。德國科學家哈伯及其學生在兩萬多次實驗中逐漸認識到合成氨的原理。理論計算表明，氫、氮在200個大氣壓和600℃的條件下反應，氨的生成率為8％，哈伯意識到合成氨不可能實現硫酸生產中的高轉化率。他們採用使反應氣體在高壓下迴圈加工，配以適當催化劑，在迴圈過程中不斷分離氨的方法，最終以鋨作催化劑在175～200個大氣壓下和500～600℃時，合成了6％以上的氨，1909年7月2日，成功建立了每小時產80克氨的實驗裝置，合成氨取得了重大突破。哈伯因此獲1931年度諾貝爾化學獎。合成氨的方法立刻被德國公司付諸工業生產，在工程師波施領導下，經過5年時間，選用含少量氧化鋁的鉀鹼助催化的鐵催化劑和耐高溫高壓的合成塔，建成了世界上第一座年產9000噸的合成氨廠，極大地滿足了社會需求。合成氨在化學工業史上意義重大，是基礎理論在工業上成功運用的典範，還開創了化工高壓技術。此外，合成氨過程中出現的問題也向理論化學提出了要求，推動了基礎理論的進一步發展。