Kemikere opdager en nøgle til grønnere fødevareproduktion

Uden tvivl den 20. århundredes vigtigste (om mindst velkendte) industrielle fremgang, Haber-Bosch ammoniaksynteseprocessen erobrede i det væsentlige fødevaremangel ved at skabe midler til masseproduktion af gødning-gødning, der derefter blev brugt til at forstærke madhøst rundt om i verden.

Men produktionen af ​​ammoniak - byggesten til ammoniumnitratgødning - genererer et problematisk biprodukt på linjen:kuldioxid. Masser af det:mere end to ton kulstof for hvert ton gødning. Det tegner sig for anslået 1,4% af de globale kuldioxidemissioner. Så, mens processen modvirkede massesult, det begyndte også at ratchet op planetens byrde af drivhusgasser.

Et af hovedmålene for forskere i dag er afkobling af fødevareproduktion fra kulstof. Delvis, dette betyder at finde en måde at producere gødning gennem kulstoffri ammoniaksyntese. Kan det gøres uden Haber-Bosch?

Paul Chirik, Edwards S. Sanford professor i kemi, har taget et vigtigt skridt i retning af denne mulighed med en unik, grundlæggende tilgang til syntese af kemiske bindinger. Han og forskerne i hans laboratorium bruger synligt lys til at drive dannelsen af ​​svage element-hydrogenbindinger, som er kernen i udfordringen, fordi de er så svære at lave.

Laboratoriets proof-of-concept-papir, udgivet denne måned i Naturkemi , beskriver en enkel metode, der involverer at skinne blåt lys på en iridiumkatalysator for at muliggøre dannelse af svage bindinger ved eller nær termodynamisk potentiale - det vil sige, uden massive udlæg af energi - uden et kulstofbiprodukt.

"Det store gennembrud her er at kunne tage lys og derefter fremme en kemisk reaktion for at skabe en binding, der er virkelig svag, at du ikke kunne undvære en ekstern stimulus, "sagde Chirik." Tidligere har at stimulus er blevet forbundet med affaldsforbrug eller forbrug af elektricitet. Her, vi gør det med lys.

"Vi har denne verden af ​​metalkatalysatorer, der har gjort fantastiske ting - de har lavet ammoniak, de har lavet stoffer, de har lavet polymerer. Nu, vi kan gøre endnu mere med dem, når vi begynder at se på, hvad der sker, når disse katalysatorer absorberer lys, "tilføjede han." Så, du tager noget, der gjorde virkelig cool kemi før, og du saft det med yderligere 50 kilokalorier.

"En hel verden åbner sig. Pludselig, der er en ny klasse af reaktioner, vi kan tænke på at gøre. "

Skær et lys

EH-bindinger er simpelthen en måde at betegne eventuelle bindinger, du måtte lave mellem brint og et andet element. EH-bindingsstyrker er stærkt afhængige af den kemiske struktur af hvert element, men mange af disse bindinger er svage - ustabile og tilbøjelige til let at bryde og danne brint (H ₂ ). De fleste kemiske reaktioner er drevet af dannelsen af ​​stærke bindinger, som energi frigives, når der dannes mere stabile produkter. Det er samlingen af ​​svage obligationer, der udgør udfordringen.

Chirik -laboratoriet har fundet en måde at skabe en svag binding ved at skinne lys på en katalysator; I dette tilfælde, iridium.

Sådan fungerer det:Forskere valgte et repræsentativt organisk molekyle, antracen, som fungerer som en slags platform, hvorpå kemien finder sted inde i reaktionskolben. Skinnende blåt lys på iridium inde i kolben gør det "spændt, "hvilket betyder, at den har energi til at drive reaktionen. I denne tilstand, det støder ind i anthracenmolekylet og overfører et hydrogenatom for at danne en svag binding. Iridiumkatalysatoren aktiverer derefter hydrogengas, afslutte cyklussen.

Brug af hydrogengas i stedet for kulstofbaserede brintkilder-udbredt i organisk syntese tidligere-giver potentielt en bæredygtig måde at lave svage kemiske bindinger uden at generere et kulstofbiprodukt.

Yoonsu Park, en postdoktoral forskningsassistent i Chiriks laboratorium og hovedforfatter på papiret, og Sangmin Kim, en ph.d. i 2021 kandidat fra laboratoriet, kom på ideen om at bruge fotokemi ved at gennemgå svage bindinger, der optræder i andre reaktioner og ekstrapolere deres lektioner. To yderligere forfattere på papiret - Greg Scholes, William S. Tod professor i kemi, og hans kandidatstuderende Lei Tian - bidrog med indsigt i rollen som blåt lys ved hjælp af en række lasereksperimenter.

Park bestemte også, hvilken metalkatalysator i den store vidde af det periodiske system, der ville være den mest effektive til at udføre den ønskede reaktion. Spring fra tidligere laboratoriearbejde udført med rhodium - en anden sjælden, dyr metalkatalysator - han nulstillede hurtigt iridium.

Mens forskere endnu ikke er klar til at skubbe Haber-Bosch, Chirik labs proof-of-concept er et vigtigt tidligt skridt.

"Vi har endnu ikke fremstillet ammoniak katalytisk. Vi har et langt stykke vej til det mål, "sagde Chirik." Men det er denne idé om at lære at lave disse svage bindinger, der er så vigtig.

"Det, jeg kan lide ved denne forskning, er, det er anderledes. Det er grundlæggende kemi, så grundlæggende som du kan få. Ingen åbner et anlæg om denne forskning i morgen. Men vi er virkelig begejstrede for konceptet, og vi håber virkelig, at andre mennesker gør denne kemi i andre sammenhænge. "