Den oxobryggade uranföreningen fångar upp kväve och omvandlar dikväve och kolmonoxid till cyanamid. Kredit:Marta Falcone/Marinella Mazzanti/EPFL
Rikligt i atmosfären, kväve används sällan vid industriell tillverkning av kemikalier. Den viktigaste processen med användning av kväve är syntesen av ammoniak som används för framställning av jordbruksgödselmedel.
Användning av kväve som råmaterial ("råvara") för industriellt bruk åstadkoms genom en reaktion som kallas kvävefixering. I denna reaktion, molekylärt kväve (eller dikväve—N 2 ) delas upp i två kväveatomer som kan kopplas till andra grundämnen som väte eller kol, gör att kväve kan lagras som ammoniak eller omvandlas direkt till högvärdiga föreningar.
Men ammoniak är inte lätt att tillverka på industriell nivå; huvudprocessen, kallad Haber-Bosch, använder en järnbaserad katalysator vid temperaturer runt 450 grader C och tryck på 300 bar - nästan 300 gånger trycket vid havsnivån. För att göra processen mer kostnadseffektiv, kemister har fokuserat på utvecklingen av nya system som kan omvandla kväve till användbara föreningar med milda lågenergiförhållanden.
Under 2017, Marinella Mazzantis labb vid EPFL kunde omvandla molekylärt kväve till ammoniak under omgivande förhållanden genom att syntetisera en förening som innehåller två uran(III)-joner och tre kaliumcentra som hålls samman av en nitridgrupp.
Nu, gruppen, i samarbete med andra EPFL-grupper, har visat att genom att ersätta nitridbryggan i uransystemet med en oxobrygga kan de fortfarande binda dikväve. Dessutom, det bundna dikvävet kan lätt klyvas under omgivande förhållanden med kolmonoxid för att göra cyanamid, en förening som används i stor utsträckning inom jordbruket, läkemedel, och olika organiska föreningar.
Reaktiviteten hos det oxobryggade dikvävekomplexet var anmärkningsvärt annorlunda jämfört med det tidigare nitridkomplexet och de få andra kvävekomplexen som är kända inom området. Beräkningsstudier gjorde det sedan möjligt för forskarna att relatera dessa skillnader i reaktivitet till bindningen i uran-oxo/-nitridbryggan.
"Dessa fynd ger viktig insikt i förhållandet mellan struktur och reaktivitet som bör sträcka sig till nitrid- och oxidmaterial, " säger Marinella Mazzanti. "Dessutom, implementeringen av dessa föreningar i katalytiska system kan i slutändan leda till lägre kostnad för tillgång till gödningsmedel."
