Nitrogen Fix

Molekylært nitrogen (dinitrogen, N=N) udgør omkring 78 procent af atmosfæren. Det er den mest ureaktive diatomiske art kendt. Interessant nok kræves der dog nitrogen til alt liv; det bruges til at bygge proteiner og DNA. Derfor skal dinitrogen omdannes til et molekyle, der let kan assimileres af planter. Det molekyle er ammoniak, NH3.





Før 1. Verdenskrig blev den jernkatalyserede Haber-Bosch-proces til ammoniaksyntese ved høje temperaturer (350 til 550 °C) og tryk (150 til 350 atmosfærer) fra dinitrogen og dihydrogen (H2) opdaget. Det er måske den vigtigste industrielle proces, der nogensinde er udviklet og ansvarlig for en dramatisk stigning i jordens befolkning i det 20. århundrede, fordi den leverer en pålidelig kilde til nitrogen til gødning. Men fordi Haber-Bosch-processen kræver høje temperaturer og tryk, forbruger den enorme mængder energi; det anslås, at så meget som 1 procent af verdens samlede energiforbrug er afsat til processen.

Inde i spywareskandalen

Denne historie var en del af vores maj 2006-udgave

  • Se resten af ​​problemet
  • Abonner

Naturen reducerer også dinitrogen ved hjælp af metalloenzymer i bakterier og blågrønalger, men ved kun én atmosfære af tryk og milde temperaturer. Metalloenzymerne, kaldet nitrogenaser, indeholder jern og normalt molybdæn. Lige siden deres opdagelse for mere end 40 år siden, har kemikere spekuleret i, hvordan reduktion af dinitrogen opstår, og om der kunne udvikles en kunstig nitrogenase, der ville føre til en mere energieffektiv proces end Haber-Bosch. Måske er der brugt tusinde årsværk og milliarder af dollars på at studere, hvordan nitrogenaser virker og forsøge at lave kunstige.



I 2003 viste min gruppe, at det er muligt at fremstille ammoniak katalytisk ud fra dinitrogen, protoner og elektroner. Dette er opnået ved a enkelt molybdæn metal center. I nærvær af protoner og elektroner i et ikke-vandigt medium reduceres dinitrogen til ammoniak med en effektivitet i elektroner på omkring 65 procent; de resterende elektroner bruges til at lave dihydrogen, hvilket i denne sammenhæng er et spild og uønsket produkt. Vores katalysator er ikke god, men det er en begyndelse.

Naturen har udviklet en meget optimeret version af kvælstofreduktionsprocessen over en periode på et par milliarder år. Vores er en kunstig nitrogenase, der knap er katalytisk. Vi forsøger at identificere det eller de vigtigste problemer, der forhindrer det i at fungere godt. Så kan vi måske forbedre dens effektivitet.

Kan vi designe katalysatorer, der vil være lige så effektive som naturlige nitrogenaser? Eventuelt. Vil Haber-Bosch-processen nogensinde blive erstattet af katalysatorer, der ikke fungerer ved høje tryk og temperaturer? Ukendt. Kun tid, penge og opfindsomhed vil afsløre svaret.



Richard R. Schrock, Frederick G. Keyes professor i kemi ved MIT, vandt 2005 Nobelprisen i kemi.

skjule