Förmodligen det viktigaste (om minst välkända) industriella framstegen under 1900-talet, Haber-Bosch ammoniaksyntesprocess erövrade i huvudsak matbrist genom att skapa medel för att massproducera gödselmedel-gödselmedel som sedan används för att stärka livsmedelsskördar runt om i världen.

Men produktionen av ammoniak - byggstenen för ammoniumnitratgödselmedel - genererar en problematisk biprodukt i kedjan:koldioxid. Mycket av det:mer än två ton kol för varje ton gödselmedel. Det står för uppskattningsvis 1,4% av de globala koldioxidutsläppen. Så, medan processen motverkade masssvält, det började också ratcheting upp planetens börda av växthusgaser.

Ett av huvudmålen för forskare idag är att koppla bort matproduktion från kol. Till viss del, detta innebär att hitta ett sätt att producera gödningsmedel genom kolfri ammoniaksyntes. Kan det göras utan Haber-Bosch?

Paul Chirik, Edwards S. Sanford professor i kemi, har tagit ett viktigt steg mot denna möjlighet med en unik, grundläggande synsätt på syntesen av kemiska bindningar. Han och forskarna i hans labb använder synligt ljus för att driva bildandet av svaga element-vätebindningar, som ligger i hjärtat av utmaningen eftersom de är så svåra att göra.

Laboratoriets proof-of-concept-papper, publiceras denna månad i Naturkemi , lägger fram en enkel metod som innebär att blått ljus lyser på en iridiumkatalysator för att möjliggöra bildning av svaga bindningar vid eller nära termodynamisk potential - det vill säga utan stora utgifter av energi – utan en kolbiprodukt.

"Det stora genombrottet här är att kunna ta ljus och sedan främja en kemisk reaktion för att skapa en bindning som är riktigt svag, att du inte skulle klara dig utan en extern stimulans, sade Chirik. Förr i tiden, att stimulans har kopplats till att göra avfall eller förbrukning av el. Här, vi gör det med ljus.

"Vi har den här världen av metallkatalysatorer som har gjort fantastiska saker - de har gjort ammoniak, de har gjort droger, de har gjort polymerer. Nu, vi kan göra ännu mer med dem när vi börjar titta på vad som händer när dessa katalysatorer absorberar ljus, "tillade han." Så, du tar något som gjorde riktigt häftig kemi tidigare och du saftar det med ytterligare 50 kilokalorier.

"En hel värld öppnar sig. Plötsligt Det finns en ny klass av reaktioner vi kan tänka oss att göra. "

Belysa

E-H-bindningar är helt enkelt ett sätt att beteckna alla bindningar du kan göra mellan väte och ett annat element. E-H-bindningsstyrkorna är starkt beroende av den kemiska strukturen hos varje element, men många av dessa bindningar är svaga - instabila och benägna att lätt brytas och bilda väte (H ₂ ). De flesta kemiska reaktioner drivs av bildningen av starka bindningar, som energi frigörs när mer stabila produkter bildas. Det är sammansättningen av svaga bindningar som utgör utmaningen.

Chirik-labbet har hittat ett sätt att skapa ett svagt band genom att skina ljus på en katalysator; I detta fall, iridium.

Så här fungerar det:Forskare valde en representativ organisk molekyl, antracen, som fungerar som en slags plattform på vilken kemin sker inuti reaktionskolven. Skinande blått ljus på iridium inuti kolven gör den "upphetsad, " vilket betyder att den har energi att driva reaktionen. I detta tillstånd, den stöter på antracenmolekylen och överför en väteatom för att skapa en svag bindning. Iridiumkatalysatorn aktiverar sedan vätgas, slutföra cykeln.

Att använda vätgas i stället för kolbaserade vätekällor-som i stor utsträckning använts i organisk syntes-ger potentiellt hållbart sätt att skapa svaga kemiska bindningar utan att generera en kolbiprodukt.

Yoonsu Park, en postdoktoral forskningsassistent i Chiriks laboratorium och huvudförfattare på uppsatsen, och Sangmin Kim, en doktorsexamen 2021. examen från labbet, kom på idén att använda fotokemi genom att granska svaga bindningar som förekommer i andra reaktioner och extrapolera sina lärdomar. Två ytterligare författare på tidningen - Greg Scholes, William S. Tod professor i kemi, och hans doktorand Lei Tian – bidrog med insikter om blått ljuss roll med hjälp av en mängd olika laserexperiment.

Park bestämde också vilken metallkatalysator i det periodiska systemets stora vidd som skulle vara den mest effektiva för att utföra den önskade reaktionen. Hoppa bort från tidigare labbarbete med rodium - en annan sällsynt, dyr metallkatalysator - han nollade snabbt in sig på iridium.

Medan forskare ännu inte är redo att kasta bort Haber-Bosch, Chirik labs proof-of-concept är ett viktigt tidigt steg.

"Vi har inte gjort ammoniak katalytiskt än. Vi har en lång väg kvar att gå på det målet, " sa Chirik. "Men det är denna idé att lära sig att skapa dessa svaga band som är så viktig.

"Det jag gillar med den här forskningen är, det är annorlunda. Det är grundläggande kemi, så grundläggande du kan få. Ingen öppnar en anläggning för denna forskning i morgon. Men vi är verkligen glada över konceptet, och vi hoppas verkligen att andra människor gör denna kemi i andra sammanhang. "