Ungefär hälften av kvävet i våra kroppar idag kommer från bakterier via enzymet nitrogenas, som konverterar, eller "fixar, "oreaktiv kvävgas i atmosfären till en form som växter kan använda för tillväxt. Den andra halvan produceras artificiellt genom en energikrävande industriell process som utvecklats för mer än 100 år sedan. Denna process, kallade Haber-Bosch (H-B) efter de två kemister som utvecklade det, producerar ammoniak genom att använda järnbaserade katalysatorer för att främja reaktionen av kväve från luften och väte som huvudsakligen härrör från metan. Genom en annan kemisk process (Ostwald), ammoniaken oxideras (reagerar med syre) för att producera salpetersyra - en viktig ingrediens i gödningsmedel.

Medan H-B-processen revolutionerade vår förmåga att odla mat, det drivs till stor del av användningen av fossila bränslen, förbrukar cirka två procent av den globala energin. Det bidrar också massivt till utsläpp av växthusgaser, släpper ut två procent av den globala koldioxiden.

En färdplan för kvävgasforskning

Att hitta mer miljövänliga och energivänliga vägar för att omvandla kväve kommer att kräva utveckling av nya katalysatorer för att påskynda de kemiska reaktionerna och förnybara energikällor för att driva dessa reaktioner. I oktober 2016, US Department of Energy (DOE) Office of Science sponsrade en tvådagars workshop för nationella laboratorie- och universitetsforskare med relevant expertis för att fokusera på utmaningarna och möjligheterna med kväveaktivering. En översiktsartikel, främst baserat på presentationer och diskussioner från denna workshop, publicerades den 25 maj i tidningen Vetenskap .

"Artikeln ger en färdplan för grundläggande forskning om kväveomvandlingsreaktioner, "sade den förste och motsvarande författaren Jingguang Chen, en senior kemist vid DOE:s Brookhaven National Laboratory och Thayer Lindsley professor i kemiteknik vid Columbia University. "Många av dessa reaktioner kan inträffa under relativt milda förhållanden-utan de höga temperaturer eller tryck som krävs i H-B-men utmaningen är att identifiera katalysatorer som är aktiva, selektiv, och stabil. "Chen; med-motsvarande författare Richard Crooks, Robert A. Welch -stolen i materialkemi vid University of Texas i Austin; och Lance Seefeldt, professor vid Institutionen för kemi och biokemi vid Utah State University, föreslog ämnet tillsammans och ledde workshopen.

Forskning om alternativa vägar för kväveomvandling utan användning av fossila bränslen som energikälla börjar med en analys av termodynamik. För att kvävgas ska reduceras eller oxideras, den mycket stabila trippelbindningen som tätt håller ihop de två kväveatomerna måste brytas.

"Innan du försöker hitta nya katalysatorer med lämpliga egenskaper, vi måste avgöra om reaktionsvägarna för de alternativa vägarna är energimässigt genomförbara, "förklarade medförfattaren och Brookhaven Lab-kemisten Sergei Lymar." Det finns många termodynamiskt genomförbara vägar, men de har i stort sett förbises under de senaste 100 åren eftersom H-B har varit så framgångsrik. Även om det inte finns någon garanti för att vi kommer att kunna köra dessa reaktioner i stor skala, de termodynamiska beräkningarna ger oss en utgångspunkt från vilken vi kan screena potentiella katalytiska material. "

Möjliga vägar för att omvandla kväve

Science -artikeln beskriver flera alternativa processer för oxidativa och reduktiva kväveomvandlingar. På reduceringssidan, en möjlighet är att ersätta metan med vatten som vätekälla i H-B-processen. En katalysator kan dela vatten till väte och syre, genom att använda energi som genereras av solpaneler eller vindkraftverk. En annan idé är att helt eliminera H-B-processen, istället producerar ammoniak direkt i elektrokemiska celler med elektrokatalysatorer eller fotokatalysatorer (ljuskänsliga material) vid elektroderna. Cellerna kan drivas av förnybar energi eller till och med kvävebindande bakterier.

"Elektrokemiska transformationer är i sig rena, "sade skurkarna." Men den begränsade mängd forskning som har riktats mot elektrokemi av kväve har verkligen inte ens fastställt en tydlig riktning för framtida undersökningar. "

Forskare försöker också förstå hur nitrogenas fungerar vid låga temperaturer och tryck och utan vätgas. Om de kan efterlikna enzymets funktion, de kunde designa nya molekylära kväve-reduktionskatalysatorer som fungerar under mindre hårda förhållanden än för H-B.

Sådana hållbara tillvägagångssätt skulle göra det möjligt att producera ammoniak på ett distribuerat sätt snarare än genom de centraliserade HB-anläggningar som för närvarande finns. Denna distribuerade produktion är särskilt viktig i utvecklingsländer som står inför snabb befolkningstillväxt men inte har tillräckligt med kapital för att bygga stora kemiska anläggningar och infrastrukturen för att transportera gödningsmedel. Om solpaneler installeras nära jordbruksfält, till exempel, energin från solljus kan skapa de energiska elektroner som krävs för att reducera kväve till ammoniak, om lämpliga katalysatorer finns tillgängliga.

På oxidationssidan, forskare undersöker den direkta reaktionen mellan kväve och syrgas för att producera salpetersyra. Nästan alla de 50 miljoner ton salpetersyra som produceras årligen tillverkas indirekt genom Ostwald-processen genom oxidation av HB-genererad ammoniak.

"Det nuvarande sättet där salpetersyra produceras är typ bakåt ur elektronflödes synvinkel, "sa Lymar." Först, kväve reduceras ända till ammoniak och sedan oxideras ammoniak ända till salpetersyra, som sträcker sig över alla kvävgas åtta oxidationstillstånd. Det skulle vara mer praktiskt att direkt oxidera kväve med syre, men denna reaktion blir spontan endast vid extrema temperaturer. "

En idé för att övervinna detta problem är att oxidera kväve vid låg temperatur, icke-termiska plasma-svagt joniserade gaser som innehåller "heta" energiska elektroner och molekyler nära rumstemperatur, atomer, och joner. Genom vibrerande spännande kvävemolekyler, icke -termiska plasma kan hjälpa katalysatorer att påskynda oxidationsreaktionen.

Artikeln beskriver också metoder för att minska luftförorenande kväveoxider. Dessa gaser produceras när kväve och syre reagerar under förbränningen. Avgaserna från fordon är en viktig källa till kväveoxider, som bidrar till bildandet av rök och surt regn. Vissa bakterier har enzymer som reducerar kväveoxider till kvävgas, och dessa avfettande bakterier kommer sannolikt att vara en inspirationskälla för forskare som vill designa nya katalysatorer för miljöskydd.

"Framsteg inom något av dessa områden kommer att kräva en molekylär förståelse för naturliga och artificiella kväveomvandlingsreaktioner, "sa Chen." Målet med denna artikel är att ge anvisningar för grundforskning, förhoppningsvis leder till utvecklingen av enkla, lågenergirutter för att manipulera redoxtillstånden för kväve. "