Полли Арнольд, директор отдела химических наук лаборатории Беркли, с Мэттом Эрнандесом, аспирантом-исследователем. Эрнандес использует перчаточный ящик в лаборатории, где проводились исследования аммиака. Фото: Тор Свифт/Лаборатория Беркли Полость, сделанная из связанных редкоземельных металлов, таких как цирконий и титан, может превращать обильный молекулярный азот (N2) в полезные соединения азота, включая аммиак или трис(силил)амины, при комнатной температуре. Фото: Эми Кинман/Лаборатория Беркли.

Аммиак является отправной точкой для удобрений, которые обеспечили мировое снабжение продовольствием в прошлом столетии. Он также является основным компонентом чистящих средств и даже рассматривается в качестве будущей безуглеродной замены ископаемого топлива в транспортных средствах.

Но синтез аммиака из молекулярного азота — энергоемкий промышленный процесс из-за высоких температур и давлений, при которых протекает стандартная реакция. У ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) теперь есть новый способ производства аммиака, который работает при комнатной температуре и давлении.

С 1909 года общеотраслевым стандартом синтеза аммиака является преобразование молекулярного азота (динитрогена, N2) посредством реакции с газообразным водородом с использованием катализаторов на основе металлов, известной как процесс Габера-Боша. Полли Арнольд, старший научный сотрудник и директор отдела химических наук в лаборатории Беркли, обнаружила, что вместо этого катализаторы, изготовленные из обильных так называемых редкоземельных металлов, могут способствовать этой реакции при комнатной температуре.

«Никто не ожидал, что редкоземельные металлы проведут такую ​​реакцию. Они расширили наш арсенал потенциальных катализаторов условий окружающей среды», — говорит Арнольд, который также является профессором химии в Калифорнийском университете в Беркли.

Редкоземельные металлы — это серебристо-белые, мягкие и тяжелые элементы, которые составляют все нерадиоактивные металлы из группы в нижней части таблицы Менделеева и вызывают большой интерес для применения в электронике, лазерах и магнитных материалах. .

«Несмотря на свое название, редкоземельные металлы на самом деле не являются редкостью», — сказал Энтони Вонг, постдокторант группы Арнольда в Калифорнийском университете в Беркли, филиал отдела химических наук лаборатории Беркли и ведущий автор исследования. бумага в Химический катализ это описывает работу. «Некоторые из них почти так же распространены, как медь, а их соли менее токсичны, чем металлы, которые уже используются в катализе», — добавил он.

Самое интересное в редкоземельных металлах с фундаментальной точки зрения то, что у них есть набор дополнительных электронов, которых нет у их аналогов из переходных металлов. Это придает им интересные оптомагнитные свойства, но химики не до конца понимают, могут ли электроны использоваться в реакциях и каким образом. Изучение реакций с участием редкоземельных металлов является привлекательным инструментом для понимания их электронных структур и того, как их структуры могут применяться к новой реакционной способности.

С 1990-х годов известно, что редкоземельные элементы связывают молекулярный азот. Однако до сих пор исследователям не удавалось использовать их для создания азотсодержащих химических веществ, таких как аммиак или амины, каталитически из N.2.

Вонг, Арнольд и их коллеги разработали соединения, которые соединяют два редкоземельных металла с помощью простых связей, полученных из фенолятов на основе простого антиоксиданта, широко используемого в продуктах питания. Получившаяся структура образовала прямоугольную полость.

Молекулярный азот, диффундировавший в полость, образует связи с металлами на обоих концах, что активирует газ. Затем электроны, введенные в полость из источника калия, атаковали активированный азот, разрывая его связи. Во всех своих стандартных формах преобразованный азот образует три ковалентные связи с атомами водорода или другими реагентами, в результате чего образуются симметричные аммиак или амины.

«Наши катализаторы активируют и удерживают диазот, в то время как различные реагенты поступают и реагируют с образованием разных продуктов», — сказал Арнольд. В дальнейшем она намерена использовать электроды вместо калиевого реагента в качестве источника электронов, поскольку они могут быть возобновляемыми, если будут получены, например, из солнечных батарей.

Затем ученые изучат, как использовать редкоземельные элементы для синтеза дополнительных азотсодержащих продуктов, регулируя форму и размер полости в форме почтового ящика. «Наш следующий шаг — изучить и понять, какие свойства редкоземельных металлов влияют на химию», — сказал Вонг.

Новый процесс не заменит широко распространенный промышленный процесс Габера-Боша. С 2020 года мировое производство аммиака колеблется около 200 миллионов метрических тонн в год, а существующие инструменты оптимизированы и чрезвычайно эффективны в больших масштабах. Но этот процесс потребляет около 2% мирового потребления энергии и создает географическое неравенство в наличии аммиака.

«Это не продовольственная справедливость», — сказал Арнольд. Вонг добавил: «Нам нужны более эффективные способы производства аммиака, которые были бы менее энергоемкими и могли бы производиться при температуре и давлении окружающей среды, чтобы обеспечить продовольственную и энергетическую безопасность». Их запатентованная технология могла бы доставлять удобрения и химически специфические азотные продукты в регионы без трубопровода и по гораздо более низким ценам.

Некоторые из этих исследований проводились в Advanced Light Source, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики, расположенном в лаборатории Беркли.

Предоставлено Национальной лабораторией Лоуренса Беркли.

Источник: PHYS.org