Människan är beroende av ammonium i syntetiska gödselmedel för mat. Dock, Att framställa ammoniak från kväve är extremt energikrävande och kräver användning av övergångsmetaller.

Forskare från Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg i Bayern, Tyskland, har nu uppnått omvandlingen av kväve till ammonium vid rumstemperatur och lågt tryck utan behov av övergångsmetaller. Detta rapporterades av en forskargrupp ledd av JMU-forskaren Holger Braunschweig i tidskriften Naturkemi .

En ny verktygslåda för att binda kväve

Industriell produktion av ammoniak, den så kallade Haber-Bosch-processen, kräver höga temperaturer och tryck, och beräknas förbruka ungefär två procent av all energi som produceras på jorden. Denna process bygger också på övergångsmetallelement, relativt tunga och reaktiva atomer.

Under 2018, Professor Braunschweigs team rapporterade bindning och kemisk omvandling av kväve med hjälp av en molekyl som endast består av lättare, icke-metallatomer. Ett år senare, de använde ett liknande system för att demonstrera den första kombinationen av två kvävemolekyler i laboratoriet, en reaktion som annars bara hade setts i jordens övre atmosfär och under plasmaförhållanden.

Nyckeln i båda dessa upptäckter var användningen av bor, det femte lättaste elementet, som den atom som kvävet binder till. "Efter dessa två upptäckter, det var tydligt att vi hade ett ganska speciellt system på våra händer, säger Braunschweig.

Bara Lägg till vatten

Även om deras system binder och omvandlar kväve, bara hälften av pusselbitarna var på plats. "Vi visste att det skulle vara en stor utmaning att slutföra omvandlingen av kväve till ammoniak, eftersom det kräver en komplex sekvens av kemiska reaktioner som ofta är inkompatibla med varandra, " förklarar JMU-professorn.

Genombrottet kom från de enklaste av reagenser:spår av vatten kvar i ett prov räckte för att främja en sekventiell reaktion som förde teamet bara ett enda steg bort från målet ammonium. Det upptäcktes senare att nyckelreaktionerna kunde göras med en fast syra, låta reaktionerna ske sekventiellt i en enda reaktionskolv, allt i rumstemperatur.

Att göra ammonium med öl

Insåg att försurningssteget i processen verkade fungera även med enkla reagenser som vatten, teamet upprepade reaktionen med lokalt bryggt Würzburger Hofbräu-öl. Till deras glädje, de kunde detektera pre-ammoniumprodukten i reaktionsblandningen.

"Det här experimentet var delvis lite roligt, men det visar också hur tolerant systemet är mot vatten och andra föreningar, " förklarar Dr Marc-André Légaré, postdoktorn som initierade studien. "Reduktionen av kväve till ammoniak är en av de viktigaste kemiska reaktionerna för mänskligheten. Detta är utan tvekan första gången det har gjorts med öl, och det är särskilt passande att det gjordes i Tyskland, " säger Dr Rian Dewhurst, Akademischer Oberrat och medförfattare till studien.

Mycket arbete kvar att göra

Reaktionen, samtidigt som det är spännande, är fortfarande långt ifrån en verkligt praktisk process för industriell framställning av ammonium. Helst att hitta ett sätt att omforma de aktiva arterna kommer att behövas för att göra processen energieffektiv och ekonomisk.

Ändå, upptäckten är en spännande demonstration av att de lättare elementen kan hantera även de största utmaningarna inom kemin. "Det finns mycket kvar att göra här, men bor och de andra lätta elementen har redan överraskat oss så många gånger. De är helt klart kapabla till så mycket mer, säger Holger Braunschweig.