Hvordan sollys giver elektroner energi til at bryde nitrogen og danne ammoniak

Alfalfa, jordnød, og sojabønneplanter optager nitrogen og brint fra luften og omdanner det til ammoniak, som hjælper planterne med at vokse. Reaktionerne for at producere ammoniak er drevet af naturlige katalysatorer, som sænker den energi, der er nødvendig for at få reaktionerne til at ske. Inspireret af disse katalysatorer, forskere afdækkede, hvordan sollys kan sætte gang i funktionaliseringen af ​​nitrogenmolekyler. De byggede et kompleks, der høster sollys. Den tilføjede energi får elektroner til at skifte og gør nitrogenmolekylerne modtagelige for binding til hydrogen og, dermed, på vejen til fremstilling af ammoniak.

I hele verden, landmænd har brug for kvælstofrig gødning. På grund af dette behov, forskere stræber efter at låse op for en meget effektiv produktion af nitrogenholdig ammoniak. Her, forskere forklarer, hvordan et komplekss binding af nitrogen ændrer sig, da det ophidses af sollys. Den resulterende indsigt kan føre til katalysatorer, der effektivt flytter elektroner til at producere ammoniak ved hjælp af mindre energi. Også, indsigten kan føre til katalysatorer, der bruger vedvarende kilder til brint, frem for naturgas.

Ammoniak i gødning er afgørende for dyrkning af afgrøder. At producere ammoniak til gødning er en energikrævende proces, der kræver naturgas for at levere det nødvendige brint. Forskere har længe kæmpet for at syntetisere en metalbaseret katalysator, der effektivt kan producere ammoniak med et minimalt kulstofaftryk, fordi nitrogen er notorisk ikke-reaktivt. Målet er at udvikle energieffektive processer, der pumper ammoniak ud ved hjælp af brint fra vedvarende kilder. Nu, forskere foreslår, hvordan en molybdænbaseret forbindelse effektivt kan bruge energi fra sollys til at gøre nitrogen reaktivt og modtageligt for at danne de nødvendige bindinger til dannelse af ammoniak. Teamet forberedte et kompleks, der fatter et nitrogemolekyle (dinitrogen) og holder det mellem to molybdænatomer. Strandlignende molekyler knyttet til metalcentret absorberer lys, specifikt i området nær infrarød til ultraviolet. På en brøkdel af et sekund, som lys giver komplekset energi-og derved leverer energi til at omdanne nitrogen til ammoniak-vibrerer de lysabsorberende molekyler synkroniseret med nitrogenet. Denne kvantemekaniske forbindelse antages at sænke reaktionsbarrieren, hvilket gør det ikke -reaktive molekyle modtageligt for binding med hydrogen. At vide, hvordan elektronerne bevæger sig og interagerer med kompleksets struktur, kan hjælpe forskere med at oversætte dette arbejde til katalytisk nitrogenfunktionalisering.