En venligere måde at håndtere nitratforurening på

At lære af naturen, forskere fra Center for Sustainable Resource Science i Japan og Korean Basic Science Institute (KBSI) har fundet en katalysator, der effektivt omdanner nitrat til nitrit - en miljømæssigt vigtig reaktion - uden at kræve høj temperatur eller surhed, og har nu identificeret den mekanisme, der gør denne effektivitet mulig.

Nitrogen er et vigtigt element i forskellige biologiske processer, men det er ofte nødvendigt at konvertere det til en eller anden form, i et system kendt som nitrogenkredsløbet. I naturen, dette udføres normalt af bakterier og andre mikroorganismer, som kan udføre bedriften ved omgivelsestemperatur og milde pH-forhold. For nylig, den overdrevne brug af kvælstofgødning som reaktion på befolkningstilvæksten har ført til alvorlig vandforurening på grund af tilstedeværelsen af ​​nitrat (NO ₃ ^- ) ioner i gødning. Afstrømning fra landbruget kan føre til nitratforurening af drikkevand, og eutrofiering af søer og moser, fører til algevækst. Som resultat, det er blevet nødvendigt at reducere udledningen af ​​nitrationer til miljøet.

Spildevandsrensning ved hjælp af mikrober udføres i øjeblikket, men det er ikke altid muligt at gøre dette, da koncentrationen af ​​nitrat kan gøre det umuligt for mikroorganismer at overleve. Der har været forsøg på at skabe katalysatorer, der kan udføre den samme opgave udført af bakterier. Desværre, på grund af nitrats høje stabilitet, disse dyre sjældne metalkatalysatorer kræver høj temperatur, ultraviolet fotolyse, eller stærkt sure miljøer. Derfor var udviklingen af ​​katalysatorer, der billigt kunne udføre transformationen ved omgivelsestemperaturer, et hovedmål for forskningen.

For nylig, et internationalt team ledet af Ryuhei Nakamura fra RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS), besluttede at prøve at bruge samme metode som nitratreduktase, et enzym, der bruges af mikroorganismer, og lykkedes med at kemisk syntetisere oxo-holdigt molybdænsulfid, som var i stand til at katalysere nitrat til nitrit i en vandig elektrolyt ved neutral pH.

Nu, i forskning offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition , de har brugt en række forskellige metoder til at bestemme, at deres katalysator indeholder et reaktionsaktivt sted svarende til det, der findes i naturlig nitratreduktase. De havde identificeret oxo-holdigt molybdænsulfid som en lovende kandidat, og vidste, at det fungerede bedre end andre katalysatorer, men de vidste ikke hvorfor. De fortsatte med at studere det ved at observere kemiske arter på overfladen i nærvær af et reduktionsmiddel - i dette tilfælde dithionitioner - ved hjælp af molekylær spektroskopi (elektron paramagnetisk resonansspektroskopi (EPR) og Raman spektroskopi. "Vi antog, " siger førsteforfatter Yamei Li, som udførte arbejdet hos RIKEN CSRS og er i øjeblikket på Tokyo Institute of Technology, "at oxo-molybdænsulfidkatalysatorerne kan have aktive steder svarende til dem i enzymer. For at teste denne hypotese, vi forsøgte at spore, hvordan kemiske arter på katalysatoroverfladen ændrer sig ved hjælp af molekylær spektroskopi."

Deres hovedfund var, at pentavalent molybdæn med oxygenligander - et af mellemprodukterne - fungerede som en aktiv art, der fremskyndede reaktionen, og viste, at denne aktive art har en struktur svarende til den aktive kerne af naturlig nitratreduktase. Deres undersøgelser ved hjælp af EPR-spektroskopi bekræftede dette, opdager, at ilt og svovl, ligander af molybdæn spiller også en vigtig rolle i effektiv fremstilling af de pentavalente oxo-molybdænarter på katalysatoroverfladen.

Ifølge Nakamura, "Dette resultat viser, at nitrationer kan afgiftes i et mildt miljø uden at være afhængig af sjældne metalkatalysatorer. Vi håber, at dette vil muliggøre udviklingen af ​​ny teknologi til at syntetisere ammoniak fra affaldsvæske."

Resultaterne af denne forskning har givet et bidrag til mål 7:"Affordable and clean energy" og mål 14:"Life under water" af de bæredygtige udviklingsmål (SDG'er), som er fastsat af FN.