Sætter scenen for brændstofeffektiv gødning

Ammoniak, den primære ingrediens i nitrogenbaserede gødninger, har hjulpet med at brødføde verden siden 1. Verdenskrig. Men at lave ammoniak i industriel skala kræver meget energi, og det tegner sig for mere end én procent af verdens samlede energirelaterede kulstofemissioner.

I naturen, enzymet nitrogenase producerer ammoniak på en meget mere miljøvenlig måde. Forskere søger at forstå bedre, hvordan nitrogenase fungerer som en katalysator til at nedbryde nitrogen. Det, de lærer, kan føre til nye bio-inspirerede designs, der forbedrer den måde, gødning fremstilles på.

En nylig opdagelse af et forskerhold fra Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) og flere universiteter krydser en enorm forhindring mod dette mål. De identificerede, for første gang, den undvigende molekylære struktur inde i nitrogenase, der nedbryder nitrogen til at producere ammoniak. Denne struktur, omtalt som Janus-mellemproduktet, repræsenterer vendepunktet i nitrogenasevejen mod ammoniak.

Holdets forskning er beskrevet i en forskningsartikel publiceret i Journal of the American Chemical Society .

Simone Raugei, en teoretisk kemiker og en af ​​undersøgelsens tilsvarende forfattere, sagde strukturen af ​​Janus-mellemproduktet - især de rumlige forhold mellem dets elektroner og protoner - er vigtig, fordi den kaster lys over, hvordan nitrogenase kan lagre fire elektroner i en meget lille klynge af atomer for at gøre det muligt at bryde den stærke kemiske binding af nitrogengas. Elektroner ønsker naturligvis at frastøde hinanden, så det er svært at rotere dem rundt i et begrænset rum.

"At forstå, hvordan man parkerer yderligere fire elektroner i et allerede meget elektronrigt område er en sand udfordring for syntetiske kemikere, sagde Raugei.

For at løse strukturen af ​​Janus-mellemproduktet, forskerholdet brugte computersimuleringer kombineret med en magnetisk resonansanalytisk teknik til at forklare den molekylære og elektroniske struktur af de uparrede elektroner. Resultatet var en enkel, dog robust analytisk model, der er i stand til at reproducere nøgleelementerne i interaktionen mellem kernerne og elektronskyen i Janus-mellemproduktet. Denne model var i stand til utvetydigt at udskille én struktur blandt alle de mulige strukturelle kandidater, der var i stand til at reproducere de eksperimentelle data. I den model, to negativt ladede hydrogener (kaldet hydrider) danner broer med to jernioner for at rumme de ekstra elektroner.

Disse resultater repræsenterer et enormt skridt fremad i jagten på en bedre måde at syntetisere ammoniak på. Det næste skridt vil være at finde ud af, hvordan man tackler, hvordan elektronerne, der er lagret i de brodannende hydrider, strømmer ind i nitrogenmolekylet, og hvordan dets stærke tredobbelte binding rives fra hinanden.

Hele forskerholdet omfattede Simone Raugei fra PNNL; Lance C. Seefeldt fra Utah State University og PNNL; Veronika Hoeke og Brian M. Hoffman fra Northwestern University; Laura Tociu fra University of Chicago; og David A. Case fra Rutgers University. Arbejdet blev støttet af Department of Energy (DOE), National Institutes of Health, og National Science Foundation.