Кобальт поможет избавиться от аммиачного проклятья

Атомы кобальта (Со) замещают молибден (Мо), что ведет к снижению энергетического барьера. Иллюстрация Physorg

Еще в начале ХХ века немецкие химики Адольф фон Байер и Фриц Габер разработали метод получения аммиака (NH3). Для разрыва трех связей в молекуле химически инертного азота (если бы было иначе, мы бы во время дождя «купались» в растворах азотистой и азотной кислот) они предложили использовать огромные температуры и давление. Однако это удорожает производство соединения и повышает его опасность. Помимо этого для получения аммиака, азот которого необходим для синтеза аминокислот, используемых затем при синтезе белков, требуется природный газ. В результате его сжигания в атмосферу выбрасываются огромные количества антропогенного диоксида углерода, СО2. Этот газ считают одной из главных причин парникового эффекта (Greenhouse Effect).

Химики самых разных специальностей вот уже более века ищут пути обхода аммиачного «проклятья», ставшего причиной Первой мировой войны. Раньше в распоряжении землепашцев был лишь навоз. И вот возникло промышленное производство аммиака, а с ним и аммиачной селитры, идущей, кстати говоря, и на производство пороха. Благодаря химическим удобрениям росло производство еды, а с ним и народонаселения, то есть пушечного мяса. Это и не давало покоя противникам по обе стороны Рейна и Одера, а также Ла-Манша.

Но оставим в стороне геополитику и обратимся вновь к химии, на этот раз нано- и квантовой.

В хьюстонском Университете Райса химики предложили заменить атомы молибдена в 2D-кристаллических нанопленках дисульфида этого металла на кобальт (Со). Заполнение им вакансий в нанопленке привело к подстегиванию расщепления молекул азота. Это, в свою очередь, открыло дорогу к созданию зеленого метода катализируемого синтеза аммиака NH3, да к тому же без использования органического газа. Использование примеси кобальта позволило наладить электрохимическое восстановление азота с 10% эффективностью. Для удержания пленки дисульфида молибдена химики использовали углеродную подложку, на которую осаждали серу и молибден, а затем и кобальт, «вторгавшийся» в естественные вакансии серы (S-vacancies).

Разрыв тройной связи в молекуле азота под действием красного света. Иллюстрации Physorg

Электронный микроскоп высокого разрешения показал осуществление эффективного электрохимического процесса после замены некоторых атомов молибдена на кобальт. Белковое окружение молибдена в нанопленке играют атомы серы, располагающиеся выше и ниже его слоя.

Компьютерное моделирование указало на снижение энергетического порога с 1,62 до 0,6 электрон-вольт после добавления в нанопленку кобальта. При этом молекулы азота буквально липнут к молибденовым дефектам, в результате чего и активируется расщепление тройной связи в молекуле азота. Процесс разрыва связей ускоряется под действием атомов кобальта и формирования одиночной связи молибден–азот. Эффективность катализа составила 10 г аммиака в час при использовании килограмма пленочного катализатора (то есть 1%). Это не слишком много, если сравнивать с промышленным производством, масштабы которого измеряются миллионами тонн.

Осуществлению катализа способствовало подведение электричества. Но в качестве источника электроэнергии, как указывают авторы, можно использовать солнечные батареи и ветряки, что еще больше снижает стоимость получаемого аммиачного продукта. Немаловажен и экологический эффект нового процесса, способствующего «самоочищению» атмосферы. К тому же нанопленки допускают помимо кобальта использование и других добавок.

Ситуация вполне сравнима с фотосинтезом, который также используется вот уже миллиарды лет, но человек пока не научился воспроизводить этот природный процесс. Вполне возможно, что утилизация азота началась в бескислородной атмосфере даже раньше фотосинтеза, в ходе которого аминокислоты не создаются. Продукт фотосинтеза – молекула АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), азота в своем составе не имеющего. Без азота же ни протеины, ни нуклеиновые кислоты не синтезируются.