Аммиак (NH₃) имеет огромное значение для сельского хозяйства, поскольку является основой для производства удобрений, необходимых для обеспечения продовольствием населения планеты. В настоящее время аммиак в основном получают с помощью процесса Габера-Боша, который превращает газообразный азот (N₂) из воздуха в аммиак. Проблема заключается в том, что этот процесс требует огромного количества энергии и сопровождается значительными выбросами газов.
Учёные давно искали более эффективные и экологически чистые способы производства аммиака. Природа делает это эффективно с помощью ферментов, называемых нитрогеназами, но воспроизвести эти биологические процессы в промышленных масштабах оказалось сложной задачей.
Все молекулярные катализаторы, разработанные до сих пор, обычно присоединяют молекулы азота — состоящие из двух атомов азота, связанных вместе — к одному металлическому центру в линейном «концевом» расположении. Это означает, что одна молекула азота связывается только с одним металлом через один из своих двух атомов, — говорит профессор Маринэлла Маццанити из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL).
В отличие от этого, в природе используется мультиметаллический подход, при котором молекулы азота связываются более чем с одним металлом. Было предложено, что азот связывается «боковым» способом, то есть оба атома азота связываются с двумя металлами, что облегчает разрыв их прочных связей.
Теперь команда под руководством Маццанити разработала первый молекулярный катализатор на основе урана, который может связывать газообразный азот аналогичным «боковым» способом и превращать его в аммиак.
Работа, опубликованная в журнале Nature Chemistry, открывает новый каталитический путь, сочетающий биологическую эффективность и промышленную осуществимость, и открывает двери для более устойчивых методов производства аммиака.
Учёные создали специальную молекулу, используя уран в сочетании с триамидоаминным лигандом, получив молекулярный комплекс, который может удерживать газообразный азот (N₂) сбоку. Затем они постепенно восстанавливали газообразный азот, добавляя электроны шаг за шагом, разрывая прочную связь между двумя атомами азота в газе.
Исследователи тщательно изучили и выделили различные стадии этого процесса восстановления, создавая промежуточные молекулы (формы азота, такие как N₂²⁻, N₂³⁻ и N₂⁴⁻) до полного расщепления азота на два отдельных нитрид-иона (N³⁻).
Их эксперименты показали, что урановый комплекс может многократно работать в цикле, эффективно превращая газообразный азот в аммиак несколько раз; конкретно — до 8,8 эквивалентов аммиака на уран-катализатор. Это впервые продемонстрировало, что боковое связывание азота — вероятный способ связывания в природных ферментах — может обеспечить жизнеспособный путь для производства аммиака.
Катализатор проясняет ранее неизвестные этапы химии преобразования азота и показывает, что уран, исторически один из первых металлов, используемых в промышленности для производства аммиака, всё ещё имеет неиспользованный потенциал.
Это открытие даёт решающее представление о химии азота и показывает, как системы на основе урана могут предложить новые возможности для будущих технологий производства аммиака.
Предоставлено Федеральной политехнической школой Лозанны (École Polytechnique Fédérale de Lausanne).