Slāpekļa Fix

Molekulārais slāpeklis (dinslāpeklis, N=N) veido aptuveni 78 procentus no atmosfēras. Tā ir nereaktīvākā zināmā diatomiskā suga. Interesanti, ka slāpeklis ir vajadzīgs visai dzīvībai; to izmanto proteīnu un DNS veidošanai. Tāpēc slāpeklis ir jāpārvērš par molekulu, kuru augi var viegli asimilēt. Šī molekula ir amonjaks, NH3.

Pirms Pirmā pasaules kara tika atklāts dzelzs katalizētais Hāber-Boša process amonjaka sintēzei augstā temperatūrā (350 līdz 550 °C) un spiedienā (150 līdz 350 atmosfēras) no slāpekļa un diūdeņraža (H2). Tas, iespējams, ir vissvarīgākais rūpnieciskais process, kas jebkad ir izstrādāts un ir atbildīgs par dramatisku zemes iedzīvotāju skaita pieaugumu 20. gadsimtā, jo tas nodrošina uzticamu slāpekļa avotu mēslošanas līdzekļiem. Bet, tā kā Haber-Bosch procesam ir nepieciešama augsta temperatūra un spiediens, tas patērē milzīgu daudzumu enerģijas; tiek lēsts, ka šim procesam tiek veltīts pat 1 procents no pasaules kopējā enerģijas patēriņa.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2006. gada maija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Daba arī samazina slāpekļa daudzumu, izmantojot metaloenzīmus baktērijās un zilaļģēs, bet tikai vienā atmosfērā spiedienā un mērenā temperatūrā. Metaloenzīmi, ko sauc par nitrogenāzēm, satur dzelzi un parasti molibdēnu. Kopš to atklāšanas vairāk nekā pirms 40 gadiem ķīmiķi ir spekulējuši par to, kā notiek slāpekļa samazināšana un vai varētu izstrādāt mākslīgo slāpekli, kas novestu pie energoefektīvāka procesa nekā Haber-Bosch. Iespējams, tūkstoš cilvēkgadu un miljardiem dolāru ir iztērēti, pētot, kā darbojas slāpekļvielas, un mēģināt izveidot mākslīgas.

2003. gadā mana grupa parādīja, ka ir iespējams katalītiski izgatavot amonjaku no slāpekļa, protoniem un elektroniem. Tas tiek paveikts a viens molibdēna metāla centrs. Protonu un elektronu klātbūtnē neūdens vidē slāpeklis tiek reducēts līdz amonjakam ar elektronu efektivitāti aptuveni 65 procenti; atlikušie elektroni tiek izmantoti diūdeņraža iegūšanai, kas šajā kontekstā ir izšķērdīgs un nevēlams produkts. Mūsu katalizators nav lielisks, bet tas ir sākums.

Daba dažu miljardu gadu laikā ir izstrādājusi ļoti optimizētu slāpekļa samazināšanas procesa versiju. Mūsu ir mākslīgā slāpekļa gāze, kas ir tik tikko katalītiska. Mēs cenšamies noteikt galveno problēmu vai problēmas, kas neļauj tai labi darboties. Varbūt tad mēs varam uzlabot tā efektivitāti.

Vai mēs varam izstrādāt katalizatorus, kas būs tikpat efektīvi kā dabiskās slāpekļa gāzes? iespējams. Vai Haber-Bosch process kādreiz tiks aizstāts ar katalizatoriem, kas nedarbojas augstā spiedienā un temperatūrā? Nezināms. Atbildi atklās tikai laiks, nauda un atjautība.

Ričards R. Šroks, Frederiks G. Kīss, MIT ķīmijas profesors, 2005. gadā ieguva Nobela prēmiju ķīmijā.

paslēpties