Cercetătorii EPFL creează un catalizator pe bază de uraniu care transformă azotul din aer în amoniac; leagă azotul lateral

Cercetătorii EPFL au creat un catalizator de uraniu care transformă azotul gazos în amoniac folosind o metodă unică de legare, oferind potențial perspective asupra unei producții de îngrășăminte mai sustenabile.

Amoniacul (NH₃) este vital pentru agricultură, deoarece este baza îngrășămintelor necesare pentru a hrăni populația lumii. În prezent, amoniacul este produs în mare parte prin procesul Haber-Bosch, care transformă azotul gazos (N₂) din aer în amoniac. Problema este că acest proces necesită cantități enorme de energie, generând în același timp emisii semnificative de gaze.

Oamenii de știință au căutat de mult timp modalități mai eficiente și mai ecologice de a produce amoniac. Natura face acest lucru eficient prin intermediul unor enzime numite nitrogenaze, dar replicarea acestor procese biologice la scară industrială s-a dovedit a fi o provocare.

Toți catalizatorii moleculari dezvoltați până în prezent atașează de obicei molecule de azot – care sunt compuse din doi atomi de azot legați împreună – la un singur centru metalic într-un aranjament liniar, „de capăt”. Aceasta înseamnă că o moleculă de azot leagă un singur metal, prin intermediul unuia dintre cei doi atomi ai săi. În schimb, natura folosește o abordare multimetalică, în care moleculele de azot se leagă de mai multe metale. S-a propus că azotul se leagă „lateral”, ceea ce înseamnă că ambii atomi de azot leagă două metale, facilitând ruperea legăturilor lor puternice.

—Profesor Marinella Mazzanti la EPFL

 

O echipă condusă de Mazzanti a dezvoltat primul catalizator molecular de uraniu care poate lega azotul gazos într-un mod similar, lateral, și îl poate converti în amoniac. Lucrarea dezvăluie o nouă cale catalitică, care leagă eficiența biologică de fezabilitatea industrială și deschide calea către metode mai sustenabile de producție a amoniacului.

Oamenii de știință au construit o moleculă specială folosind uraniu combinat cu un ligand triamidoamină, producând un complex molecular care poate menține azotul gazos (N₂) lateral. Apoi, au redus progresiv azotul gazos prin adăugarea pas cu pas de electroni, rupând legătura puternică dintre cei doi atomi de azot ai gazului. Cercetătorii au studiat cu atenție și au izolat diferite etape ale acestui proces de reducere, creând molecule intermediare (forme de azot precum N₂²⁻, N₂³⁻ și N₂⁴⁻) până când, în final, au divizat complet azotul în doi ioni de nitrură separați (N³⁻).

Experimentele lor au arătat că complexul de uraniu poate funcționa în mod repetat într-un ciclu, transformând efectiv azotul gazos în amoniac de mai multe ori; mai exact, până la 8,8 echivalenți de amoniac per catalizator de uraniu. Acest lucru a demonstrat pentru prima dată că legarea laterală a azotului – un mod probabil de legare în enzimele naturale – poate oferi o cale viabilă pentru producerea de amoniac.

Catalizatorul clarifică etapele anterior necunoscute în chimia conversiei azotului și arată că uraniul, istoric printre primele metale utilizate industrial pentru a produce amoniac, încă deține un potențial neexploatat.

Această descoperire oferă perspective cruciale asupra chimiei azotului și arată cum sistemele pe bază de uraniu pot oferi noi căi pentru viitoarele tehnologii de producție a amoniacului.

Resurse

• Mikhail S. Batov, Heather T. Partlow, Lucile Chatelain, John A. Seed, Rosario Scopelliti, Ivica Zivkovic, Ralph W. Adams, Stephen T. Liddle, Marinella Mazzanti. Conversia catalitică și stoichiometrică treptată a diazotului legat lateral în amoniac mediată de un complex de uraniu. Nature Chemistry