Att lära av naturen, forskare från Center for Sustainable Resource Science i Japan och Korean Basic Science Institute (KBSI) har hittat en katalysator som effektivt omvandlar nitrat till nitrit – en miljömässigt viktig reaktion – utan att kräva hög temperatur eller surhet, och har nu identifierat mekanismen som gör denna effektivitet möjlig.

Kväve är ett viktigt element för olika biologiska processer, men det är ofta nödvändigt att omvandla det till en eller annan form, i ett system som kallas kvävecykeln. I naturen, detta utförs vanligtvis av bakterier och andra mikroorganismer, som kan utföra bedriften vid omgivningstemperatur och milda pH-förhållanden. Nyligen, den överdrivna användningen av kvävegödselmedel som svar på befolkningsökningen har lett till allvarliga vattenföroreningar på grund av närvaron av nitrat (NO ₃ ^- ) joner i gödningsmedel. Avrinning från jordbruket kan leda till nitratförorening av dricksvatten, och övergödningen av sjöar och myrar, leder till algtillväxt. Som ett resultat, det har blivit nödvändigt att minska utsläppen av nitratjoner till miljön.

Avloppsvattenrening med mikrober utförs för närvarande, men det är inte alltid möjligt att göra detta, eftersom koncentrationen av nitrat kan göra det omöjligt för mikroorganismer att överleva. Det har gjorts försök att skapa katalysatorer som kan utföra samma uppgift som bakterier. Tyvärr, på grund av den höga stabiliteten av nitrat, dessa dyra sällsynta metallkatalysatorer kräver hög temperatur, ultraviolett fotolys, eller starkt sura miljöer. Därför var utvecklingen av katalysatorer som billigt kunde utföra omvandlingen vid omgivningstemperaturer ett viktigt mål för forskningen.

Nyligen, ett internationellt team ledd av Ryuhei Nakamura från RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS), bestämde sig för att försöka använda samma metod som nitratreduktas, ett enzym som används av mikroorganismer, och lyckades kemiskt syntetisera oxo-innehållande molybdensulfid, som kunde katalysera nitrat till nitrit i en vattenhaltig elektrolyt vid neutralt pH.

Nu, i forskning publicerad i Angewandte Chemie International Edition , de har använt en mängd olika metoder för att fastställa att deras katalysator innehåller ett reaktionsaktivt ställe som liknar det som finns i naturligt nitratreduktas. De hade identifierat oxo-innehållande molybdensulfid som en lovande kandidat, och visste att det fungerade bättre än andra katalysatorer, men de visste inte varför. De fortsatte med att studera det genom att observera kemiska arter på dess yta i närvaro av ett reduktionsmedel - i det här fallet ditionitjoner - med hjälp av molekylär spektroskopi (elektronparamagnetisk resonansspektroskopi (EPR) och Ramanspektroskopi. "Vi antog, " säger första författaren Yamei Li, som gjorde jobbet på RIKEN CSRS och är för närvarande vid Tokyo Institute of Technology, "att oxo-molybdensulfidkatalysatorerna kan ha aktiva platser som liknar de i enzymer. För att testa denna hypotes, vi försökte spåra hur kemiska ämnen på katalysatorytan förändras med hjälp av molekylär spektroskopi."

Deras huvudsakliga upptäckt var att femvärt molybden med syreligander - en av mellanprodukterna - fungerade som en aktiv art som påskyndade reaktionen, och visade att denna aktiva art har en struktur som liknar den aktiva kärnan av naturligt nitratreduktas. Deras studier med EPR-spektroskopi bekräftade detta, att finna att syre och svavel, molybdenligander spelar också en viktig roll för att effektivt producera de femvärda oxo-molybdenarterna på katalysatorytan.

Enligt Nakamura, "Detta resultat visar att nitratjoner kan avgiftas i en mild miljö utan att vara beroende av sällsynta metallkatalysatorer. Vi hoppas att detta kommer att möjliggöra utvecklingen av ny teknik för att syntetisera ammoniak från avfallsvätska."

Resultaten av denna forskning har bidragit till mål 7:"Prisvärd och ren energi" och mål 14:"Livet under vattnet" i FN:s mål för hållbar utveckling (SDG).