Новости химической науки > Фотокатализатор превратит азот в аммиак

Подчерпнув идею у двух биохимических процессов, исследователи получили каталитический материал, способный конвертировать азот в аммиак при облучении белым светом. В отдаленной перспективе новая стратегия сможет помочь исследователям понизить затраты энергии на получение продукта, производящегося в мире в наибольших количествах, утилизировав энергию солнечного света.

В настоящее время в мире ежегодно производится 200 миллионов тонн аммиака, который, главным образом используется для получения удобрений и синтеза других азотсодержащих веществ. Типичный промышленный процесс получения аммиака – метод Габера-Боша заключается в вовлечении инертного азота в реакцию с водородом при температуре 400°C и давлении 250 атмосфер в присутствии железосодержащего катализатора. Жесткие условия реакции обуславливают колоссальные затраты энергии на производство аммиака – в процессе Габера-Боша расходуется около 1% всей энергии, ежегодно производимой человечеством.

Рисунок из J. Am. Chem. Soc. 2015, DOI: 10.1021/ja512491v

Природа также умеет превращать азот в аммиак, хотя и медленнее, чем это происходит в процессе Габера-Боша, используя биохимические механизмы фиксации азота. Реакция, естественно, реализующаяся в очень мягких, про сравнению с промышленным синтезом аммиака, условиях протекает в организмах, способных к экспрессии ферментов-нитрогеназ.В активном центре этих ферментов располагается реакционноспособный кластер, содержащий атомы железа, молибдена и серы.

В попытке понять энергоэффективные методы фиксации азота, использующиеся живой природой, исследователи ранее получали синтетические аналоги таких кластеров. Было обнаружено, что ряд таких синтетических аналогов может катализировать получение аммиака из азота в мягких условиях и сильно восстанавливающей среде.

Исследователи из Северо-западного университета, включая Абишека Банерджи (Abhishek Banerjee) и Меркюри Канацидиса (Mercouri G. Kanatzidis) сообщают о более эффективном катализаторе, активность которого может «включаться и выключаться» обычным белым светом и способствовать получению аммиака при комнатной температуре и обычном давлении. Получивший название «халькогель» (chalcogel), материал, имитирующий свойства, как катализаторов фиксации азота, так и фотосинтеза, представляет собой светопоглощающее пористое аморфное соединение, состоящее из кластеров Mo₂Fe₆S₈, связанный с помощью лигандов Sn₂S₆.

Исследователи барботировали азот через водные растворы, содержащие халькогель, источник протонов (гидрохлорид пиридина) и донор электронов (аскорбат натрия). Аммиак был зафиксирован вскоре после начала облучения полученной системы белым светом, также было обнаружено, что в процессе облучения концентрация вещества непрерывно возрастала.

Контрольные эксперименты показали, что пробулькивание азота через раствор, не содержащий катализатора, а также раствор, содержащийся в темноте, не приводит к образованию аммиака. Исследователи признают, что пока полученный ими катализатор способствует слишком медленному получению аммиака, которое не может быть использовано в промышленности, однако добавляют, что новый материал довольно устойчив – во время испытаний халькогель не демонстрировал потери активности в течение 72 часов.

Профессор из Университета Ливерпуля Мэтью Россеински (Matthew J. Rosseinsky) говорит о высокой элегантности работы своих коллег. Он подчеркивает, что результаты открытия дают новые возможности для дальнейшего исследования особенностей строения и свойств активных центров нитрогеназ, в частности роли фрагментов Sn₂S₆.

Источник: J. Am. Chem. Soc. 2015, DOI: 10.1021/ja512491v

метки статьи: #кинетика и катализ, #неорганическая химия, #фотохимия, фотокатализ, #химическая технология