Reduktion af nitrogen med bor og øl

Menneskeheden er afhængig af ammonium i syntetisk gødning til fødevarer. Imidlertid, at producere ammoniak ud fra kvælstof er ekstremt energikrævende og kræver brug af overgangsmetaller.

Forskere fra Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg i Bayern, Tyskland, har nu opnået omdannelsen af ​​nitrogen til ammonium ved stuetemperatur og lavt tryk uden behov for overgangsmetaller. Dette blev rapporteret af en forskergruppe ledet af JMU-forskeren Holger Braunschweig i tidsskriftet Naturkemi .

En ny værktøjskasse til binding af nitrogen

Industriel produktion af ammoniak, den såkaldte Haber-Bosch-proces, kræver høje temperaturer og tryk, og anslås at forbruge omkring to procent af al energi produceret på jorden. Denne proces er også afhængig af overgangsmetalelementer, relativt tunge og reaktive atomer.

I 2018, Professor Braunschweigs team rapporterede om binding og kemisk omdannelse af nitrogen ved hjælp af et molekyle, der kun består af lettere, ikke-metal atomer. Et år senere, de brugte et lignende system til at demonstrere den første kombination af to nitrogenmolekyler i laboratoriet, en reaktion, der ellers kun var set i Jordens øvre atmosfære og under plasmaforhold.

Nøglen i begge disse opdagelser var brugen af ​​bor, det femte letteste element, som det atom, som nitrogenet binder sig til. "Efter disse to opdagelser, det var tydeligt, at vi havde et ret specielt system på hånden, " siger Braunschweig.

Bare tilsæt vand

Selvom deres system binder og omdanner nitrogen, kun halvdelen af ​​puslespilsbrikkerne var på plads. "Vi vidste, at det ville være en stor udfordring at afslutte omdannelsen af ​​nitrogen til ammoniak, da det kræver en kompleks sekvens af kemiske reaktioner, der ofte er uforenelige med hinanden, " forklarer JMU-professoren.

Gennembruddet kom fra de mest simple reagenser:spor af vand efterladt i en prøve var nok til at fremme en sekventiel reaktion, der bragte holdet kun et enkelt skridt væk fra målet ammonium. Det blev senere opdaget, at nøglereaktionerne kunne udføres ved hjælp af en fast syre, tillader reaktionerne at forekomme sekventielt i en enkelt reaktionskolbe, alt ved stuetemperatur.

Fremstilling af ammonium med øl

Ved at indse, at forsuringstrinnet i processen så ud til at virke selv med simple reagenser såsom vand, holdet gentog reaktionen ved at bruge lokalt brygget Würzburger Hofbräu-øl. Til deres glæde, de var i stand til at detektere præ-ammoniumproduktet i reaktionsblandingen.

"Dette eksperiment var til dels lidt sjovt, men det viser også, hvor tolerant systemet er over for vand og andre forbindelser, " forklarer Dr. Marc-André Légaré, den postdoc-forsker, der igangsatte undersøgelsen. "Reduktionen af ​​kvælstof til ammoniak er en af ​​de vigtigste kemiske reaktioner for menneskeheden. Det er utvivlsomt første gang, det er gjort med øl, og det er særligt passende, at det blev gjort i Tyskland, " siger Dr. Rian Dewhurst, Akademischer Oberrat og medforfatter til undersøgelsen.

Der er meget arbejde tilbage

Reaktionen, mens det er spændende, er stadig langt fra en virkelig praktisk proces til industriel fremstilling af ammonium. Ideelt set det vil være nødvendigt at finde en måde at omforme de aktive arter for at gøre processen energieffektiv og økonomisk.

Alligevel, opdagelsen er en spændende demonstration af, at de lettere grundstoffer kan tackle selv de største udfordringer inden for kemi. "Der er meget tilbage at gøre her, men bor og de andre lette elementer har allerede overrasket os så mange gange. De er tydeligvis i stand til så meget mere, siger Holger Braunschweig.