Аммиак жизненно важен для общества, но его производство является энергоемким, имеет большой углеродный след и требует высоких первоначальных капитальных затрат. Теперь, интригующая реакция предполагает, что возможны энергоэффективные альтернативы.
Глобальное производство продуктов питания требует аммиачных удобрений. Поэтому промышленное превращение атмосферного газообразного азота (N 2 , также известного как диоксид азота) в аммиак имеет важное значение для жизни человека.
Несмотря на простоту вовлеченных молекул, расщепление сильной тройной связи азот-азот в ди- азоте и сопутствующее образование связей азот-водород представляет собой сложную проблему для каталитической химии, и обычно включает условия, которые являются дорогостоящими с точки зрения энергетических потребностей: высокие температуры реакции, высокое давление или комбинации реактивных реагентов, с которыми трудно работать и которые требуют больших затрат энергии.
Обнаруженное соединение самария, смешанное с водой и объединенное с молибденовым катализатором, может стимулировать синтез аммиака из диоксида азота в условиях окружающей среды. Эта работа открывает новые возможности для поиска процессов производства аммиака, которые работают в условиях окружающей среды, и ставит вопрос о том, каким должен быть идеальный процесс.
Воодушевленные растущей глобальной нехваткой удобрений на рубеже двадцатого века, химики продемонстрировали, что азот можно «извлечь из воздуха» и он превращается в аммиак.
В современной версии процесса, азот и газообразный водород объединяются на катализаторе, обычно на основе железа, для получения аммиака. Сегодня мировое производство аммиака происходит со скоростью около 250–300 тонн в минуту и обеспечивает удобрения, которые поддерживают почти 60% населения планеты.
Современные условия для синтеза аммиака включают температуры выше 400 ° C и давление около 400 атмосфер, и поэтому их часто называют жесткими. Это распространенное заблуждение побудило химиков найти «более мягкие» альтернативы, в которых используются новые катализаторы для снижения рабочих температур и давлений.
Химики обратились к природе для вдохновения, как они часто делают. Семейство энзимов нитрогеназы в значительной степени отвечает за биологическое превращение азота в аммиак (процесс, называемый азотфиксацией) и является источником атомов азота в аминокислотах и нуклеотидах, которые являются строительными блоками жизни. Нитрогеназы не используют газообразный водород в качестве источника атомов водорода. Вместо этого они переносят протоны и электроны к каждому атому азота с образованием связей азот-водород. Но хотя нитрогеназы фиксируют азот при температурах окружающей среды, они используют восемь эквивалентов протонов и электронов на молекулу азота (а не шесть, число, необходимое в соответствии со стехиометрией реакции), чтобы обеспечить необходимую термодинамическую движущую силу для фиксации и для других связанных процессов.
Такое использование избыточных водородных эквивалентов означает, что нитрогеназы работают с большим химическим перенапряжением - они используют гораздо больше энергии, чем на самом деле необходимо для фиксации.
Химики подражали реакции нитрогеназы, добавляя источники протонов и электронов к металлсодержащим комплексам, которые содержат связанный динитроген.
Задача исследователей катализа состоит в том, чтобы объединить лучшие биологические и промышленные подходы к фиксации азота, то есть найти процесс, который работает вблизи температуры и давления окружающей среды, имеет минимальное химическое перенапряжение и не требует капиталоемкой установки, чтобы сделать аммиак в больших масштабах. Это большая проблема, потому что не было найдено комбинации кислот (которые являются источниками протонов) и восстановителей (источников электронов), которые обеспечивают термодинамическую движущую силу для фиксации наравне с таковой для газообразного водорода, и которая является достаточно реактивной, чтобы образовать азот-водород связи из азота при температуре окружающей среды.
Но что произойдет, если вместо того, чтобы функционировать раздельно, источники протонов и электронов направить на совместную работу?
Химики приняли эту стратегию и тем самым сообщили о том, что может быть принципиально новым подходом к каталитическому синтезу аммиака. В них используется явление, известное как ослабление связи, вызванное координацией, которое возникает в результате взаимодействия дийодида самария (SmI 2) и воды.