Utrwalanie azotu

Azot cząsteczkowy (dwuazotan, N=N) stanowi około 78 procent atmosfery. Jest to najbardziej niereaktywny znany gatunek dwuatomowy. Co ciekawe jednak, azot jest potrzebny przez całe życie; służy do budowy białek i DNA. Dlatego dwuazot musi zostać przekształcony w cząsteczkę, która może być łatwo przyswajalna przez rośliny. Tą cząsteczką jest amoniak, NH3.

Przed I wojną światową odkryto katalizowany żelazem proces Habera-Boscha do syntezy amoniaku w wysokich temperaturach (350 do 550 °C) i ciśnieniach (150 do 350 atmosfer) z azotu i dwuwodoru (H2). Jest to prawdopodobnie najważniejszy proces przemysłowy, jaki kiedykolwiek opracowano i odpowiedzialny za dramatyczny wzrost populacji Ziemi w XX wieku, ponieważ dostarcza niezawodnego źródła azotu do nawozów. Ale ponieważ proces Haber-Bosch wymaga wysokich temperatur i ciśnień, zużywa ogromne ilości energii; szacuje się, że aż 1 procent całkowitego światowego zużycia energii przeznacza się na ten proces.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2006 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Natura redukuje również dwuazot za pomocą metaloenzymów w bakteriach i sinicach, ale tylko w jednej atmosferze ciśnienia i łagodnych temperaturach. Metaloenzymy, zwane nitrazami, zawierają żelazo i zwykle molibden. Od czasu ich odkrycia ponad 40 lat temu, chemicy spekulują o tym, jak zachodzi redukcja dwuazotu i czy można by opracować sztuczną nitrazę, która doprowadziłaby do bardziej energooszczędnego procesu niż Haber-Bosch. Być może tysiąc osobolat i miliardy dolarów wydano na badanie działania nitraz i próby wytwarzania sztucznych.

W 2003 roku moja grupa wykazała, że ​​można katalitycznie wytworzyć amoniak z azotu, protonów i elektronów. Osiąga się to w pojedynczy centrum z metalu molibdenowego. W obecności protonów i elektronów w środowisku niewodnym dwuazot jest redukowany do amoniaku z wydajnością elektronów około 65 procent; pozostałe elektrony są wykorzystywane do wytwarzania diwodoru, który w tym kontekście jest marnotrawnym i niepożądanym produktem. Nasz katalizator nie jest świetny, ale to początek.

Natura opracowała wysoce zoptymalizowaną wersję procesu redukcji azotu na przestrzeni kilku miliardów lat. Nasza jest sztuczną azotazą, która jest ledwo katalityczna. Staramy się zidentyfikować kluczowy problem lub problemy, które uniemożliwiają jego prawidłowe działanie. Być może wtedy uda nam się poprawić jego wydajność.

Czy możemy zaprojektować katalizatory, które będą równie wydajne jak naturalne nitrazy? Możliwie. Czy proces Habera-Boscha zostanie kiedykolwiek zastąpiony przez katalizatory, które nie działają pod wysokim ciśnieniem i temperaturą? Nieznany. Tylko czas, pieniądze i pomysłowość ujawnią odpowiedź.

Richard R. Schrock, profesor chemii Fredericka G. Keyesa na MIT, zdobył w 2005 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

ukryć