Azoto pataisymas

Molekulinis azotas (dinitrogenas, N=N) sudaro apie 78 procentus atmosferos. Tai yra labiausiai nereaguojanti dviatomė rūšis. Tačiau įdomu, kad azotas reikalingas visai gyvybei; jis naudojamas baltymams ir DNR gaminti. Todėl azotas turi būti paverstas molekule, kurią augalai gali lengvai pasisavinti. Ta molekulė yra amoniakas, NH3.

Iki Pirmojo pasaulinio karo buvo atrastas geležies katalizuojamas Haber-Bosch procesas, skirtas amoniako sintezei aukštoje temperatūroje (350–550 °C) ir slėgyje (150–350 atmosferų) iš azoto ir dvivandenio (H2). Tai bene svarbiausias pramoninis procesas, kada nors sukurtas ir atsakingas už dramatišką žemės gyventojų skaičiaus padidėjimą XX amžiuje, nes jis tiekia patikimą azoto šaltinį trąšoms. Tačiau kadangi Haber-Bosch procesui reikalinga aukšta temperatūra ir slėgis, jis sunaudoja nepaprastai daug energijos; skaičiuojama, kad šiam procesui skiriama net 1 procentas viso pasaulio energijos suvartojimo.

Ši istorija buvo mūsų 2006 m. gegužės mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Gamta taip pat sumažina azoto kiekį naudodama metalofermentus bakterijose ir melsvadumbliuose, tačiau esant tik vieno atmosferos slėgiui ir švelniai temperatūrai. Metalofermentuose, vadinamuose azotogenazėmis, yra geležies ir dažniausiai molibdeno. Nuo tada, kai jie buvo atrasti prieš daugiau nei 40 metų, chemikai spėliojo, kaip sumažėja azoto kiekis ir ar būtų galima sukurti dirbtinę azoto genazę, kuri leistų efektyviau naudoti energiją nei Haber-Bosch. Galbūt tūkstantis žmogaus metų ir milijardai dolerių buvo išleista tiriant, kaip veikia azoto genazės, ir bandant sukurti dirbtines.

2003 m. mano grupė parodė, kad amoniaką galima pagaminti kataliziniu būdu iš azoto, protonų ir elektronų. Tai atliekama a viengungis molibdeno metalo centras. Esant protonams ir elektronams nevandeninėje terpėje, azotas redukuojamas iki amoniako, kurio efektyvumas elektronuose yra apie 65 proc.; likę elektronai naudojami dvivandeniui gaminti, o tai šiame kontekste yra švaistomas ir nepageidaujamas produktas. Mūsų katalizatorius nėra puikus, bet tai yra pradžia.

Gamta sukūrė labai optimizuotą azoto mažinimo proceso versiją per kelis milijardus metų. Mūsų yra dirbtinė azoto genazė, kuri vos katalizuoja. Stengiamės nustatyti pagrindinę problemą ar problemas, dėl kurių ji negali gerai veikti. Galbūt tada galime pagerinti jos efektyvumą.

Ar galime sukurti katalizatorius, kurie būtų tokie pat veiksmingi kaip natūralios azoto genazės? galbūt. Ar Haber-Bosch procesas kada nors bus pakeistas katalizatoriais, kurie neveikia esant aukštam slėgiui ir temperatūrai? Nežinoma. Tik laikas, pinigai ir išradingumas parodys atsakymą.

Richardas R. Schrockas, Fredericko G. Keyeso, MIT chemijos profesorius, 2005 m. laimėjo Nobelio chemijos premiją.

paslėpti