Исследователи из Баварии снижают содержание азота с помощью бора

Человечество зависит от аммония, содержащегося в синтетических удобрениях в пищу. Однако производство аммиака из азота чрезвычайно энергоемко и требует использования переходных металлов.

Исследователи из Университета Юлиуса Максимилиана (JMU) в Вюрцбурге в Баварии, Германия, теперь достигли превращения азота в аммоний при комнатной температуре и низком давлении без необходимости использования переходных металлов. Об этом сообщила исследовательская группа под руководством ученого из JMU Хольгера Брауншвейга в журнале Nature Chemistry.

Новый набор инструментов для связывания азота

Промышленное производство аммиака, так называемый процесс Хабера-Боша, требует высоких температур и давлений и, по оценкам, потребляет примерно два процента всей энергии, производимой на Земле. В этом процессе также используются элементы переходных металлов, относительно тяжелые и реактивные атомы.

В 2018 году команда профессора Брауншвейга сообщила о связывании и химическом превращении азота с использованием молекулы, состоящей только из более легких неметаллических атомов. Год спустя они использовали аналогичную систему, чтобы продемонстрировать первую комбинацию двух молекул азота в лаборатории, реакцию, которая иначе наблюдалась только в верхних слоях атмосферы Земли и в условиях плазмы.

Ключевым моментом в обоих этих открытиях было использование бора, пятого по лёгкости элемента, в качестве атома, с которым связывается азот. «После этих двух открытий стало ясно, что в наших руках довольно особенная система», — говорит Брауншвейг.

Просто добавь воды

Хотя их система связывает и преобразует азот, на месте осталась только половина кусочков головоломки. «Мы знали, что завершение преобразования азота в аммиак будет серьезной проблемой, поскольку для этого потребуется сложная последовательность химических реакций, которые часто несовместимы друг с другом», — объясняет профессор JMU.

Прорыв произошел благодаря простейшему из реагентов: следов воды, оставшейся в образце, было достаточно, чтобы вызвать последовательную реакцию, которая унесла команду всего на один шаг от целевого аммония. Позже было обнаружено, что ключевые реакции можно проводить с использованием твердой кислоты , что позволяет реакциям протекать последовательно в одной реакционной колбе при комнатной температуре.

Приготовление аммиака с пивом

Понимая, что стадия подкисления процесса работает даже с простыми реагентами, такими как вода, команда повторила реакцию, используя пиво Würzburger Hofbräu местного производства. К их радости, им удалось обнаружить в реакционной смеси преаммонийный продукт.

«Этот эксперимент был отчасти забавным, но он также показывает, насколько система устойчива к воде и другим соединениям», — объясняет доктор Марк-Андре Легаре, научный сотрудник, начавший исследование. «Восстановление азота до аммиака — одна из важнейших химических реакций для человечества. Несомненно, это первый раз, когда это делается с использованием пива, и особенно уместно, что это было сделано в Германии!» — говорит доктор Райан Дьюхерст, академик Оберрат и соавтор исследования.

Еще много работы предстоит сделать

Реакция, хотя и захватывающая, все же далека от действительно практического процесса промышленного производства аммония. В идеале потребуется найти способ реформирования активных частиц, чтобы сделать процесс энергоэффективным и экономичным.

Тем не менее, это открытие является захватывающей демонстрацией того, что более легкие элементы могут решить даже самые большие проблемы в химии. «Здесь еще многое предстоит сделать, но бор и другие легкие элементы уже столько раз нас удивляли. Они явно способны на гораздо большее», — говорит Хольгер Брауншвейг.

Источник

Метки: азот, бор