Новый метод, основанный на свете, предлагает более экологически чистые удобрения. (Аммиак — важнейший компонент удобрений.)«Это грандиозная реакция, превращающая азот в аммиак в условиях окружающей среды», — сказал химик-неорганик Меркури Г. Канатзидис, руководивший исследованием. «Ученые были очарованы биологическим ферментом нитрогеназой, который катализирует реакцию в природе, более 60 лет. Теперь мы создали успешную имитацию природных процессов».Канатзидис — профессор химии Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Колледже искусств и наук Вайнберга.
Растения полагаются на процесс фиксации азота для питания и роста. Азот прямо из атмосферы недоступен для растений, поэтому питательное вещество должно быть в восстановленной форме, например, в аммиаке.Северо-западный метод использует свет, чтобы катализировать важную реакцию.
По словам Канатзидиса, процесс, в котором для превращения азота в аммиак в большом количестве используется солнечная энергия, представляет собой привлекательную альтернативу Haber-Bosch, промышленному стандарту для производства аммиака. Процесс Haber-Bosch потребляет более 1 процента мирового энергоснабжения.Подробная информация о миметике нитрогеназы Northwestern недавно была опубликована в Журнале Американского химического общества.
Пока это всего лишь доказательство концепции, но это впечатляющее открытие. Азот очень упрямый — он не любит взаимодействовать с другими молекулами. Три одиночные ковалентные связи азота очень трудно разорвать.
Чтобы решить эту проблему, Канацидис и его коллеги обратились к интересному материалу, который они разработали ранее, — к халькогелю. Этот пористый материал, похожий на губку, обеспечивает большую площадь поверхности, что имеет свои преимущества. Они сделали халькогель, используя кластер железа, молибдена и серы (FeMoS), ключевых металлов, содержащихся в нитрогеназе, которые восстанавливают азот.«Благодаря большой площади поверхности, материал предлагает множество реактивных центров, где азот может реагировать при прохождении через него», — сказал Канатзидис.
Еще одно преимущество материала халькогель — его цвет; он черный, поэтому поглощает много света. Исследователи думали, что они могут использовать эту энергию. (Нитрогеназа получает энергию из других источников, кроме солнечного света.)«Мы с коллегами сказали:« Давайте проведем сумасшедший эксперимент », — сказал Канацидис. «Давайте возбудим халькогель светом, дадим ему немного азота и посмотрим, восстановит ли материал азот до аммиака. К нашему удивлению, мы увидели образование аммиака, и аммиак со временем становился все более и более интенсивным».
Кофактор FeMoS в халькогеле связывается с азотом и уменьшает его на восемь электронов, образуя две молекулы аммиака и одну молекулу водорода, как это происходит в природе.После первых положительных результатов исследователи Северо-Запада провели ряд контрольных экспериментов, которые подтвердили, что производимый аммиак действительно происходил из азота, а не из какого-либо другого источника.
Материал халькогель очень прочный. «Этот катализатор может работать и работать, и работать», — сказал Канатзидис. «Нитрогеназа в биологических системах должна восстанавливаться каждые шесть-восемь часов».Однако исследователи признают, что их катализатор медленнее, чем нитрогеназа, примерно в 1000 раз медленнее.«Но у нитрогеназы для развития было два или три миллиарда лет», — сказал Канатзидис. «Мы счастливы, что наш материал восстанавливает азот так же, как нитрогеназа. Это фантастическая отправная точка.
Теперь мы пытаемся выяснить, как этот материал работает и как он может стать быстрее. Мы уже добились определенного прогресса в этом направлении».