Амонякът (NH₃) е от съществено значение за съвременното земеделие, тъй като служи като основна съставка в производството на торове, които поддържат изхранването на световното население. В момента той се добива основно чрез енергоемкия процес на Хабер-Бош, който превръща азотния газ (N₂) от атмосферата в амоняк. Въпреки своята ефективност този процес води до значителни въглеродни емисии и екологични последици.

Търсене на по-устойчиви алтернативи за синтез на амоняк

Научната общност отдавна се стреми да открие по-екологични и енергийно ефективни методи за производство на амоняк. В природата този процес се осъществява при ниски температури и налягане, благодарение на специализирани ензими, наречени азотази. Тези биологични катализатори могат ефективно да фиксират атмосферния азот, но досега възпроизвеждането на подобна функционалност в лабораторни и промишлени условия се оказва сериозно предизвикателство.

Природата като вдъхновение за учените

„Досега всички разработени молекулни катализатори обикновено свързват азотните молекули линейно – така, че само единият от двата азотни атома се свързва с металния център“, обяснява проф. Маринела Мацанти от Швейцарския федерален технологичен институт в Лозана (EPFL).

„Природата обаче използва мултиметален подход, при който и двата азотни атома се свързват едновременно с два различни метални центъра. Това 'странично' свързване улеснява разкъсването на здравата връзка между атомите в молекулата на азота.“

Първи катализатор на основата на уран със странично свързване на азот

Вдъхновен от този биологичен механизъм, екипът на проф. Мацанти разработва първия по рода си молекулен катализатор на основата на уран, способен да улавя азотния газ по същия „страничен“ начин и да го преобразува в амоняк.

Резултатите, публикувани в списание Nature Chemistry, представят напълно нов каталитичен механизъм, който съчетава природната ефективност с приложимостта в индустриален мащаб. Това откритие отваря вратата към по-устойчиви технологии за синтез на амоняк.

Как работи катализаторът на основата на уран?

Изследователите създават специален молекулен комплекс, в който уранът е съчетан с органичен лиганд, наречен триамидоамин. Резултатът е стабилна молекула, която може странично да задържа молекулата на азота (N₂), позволявайки по-ефективното ѝ редуциране.

Процесът протича поетапно: учените добавят електрони стъпка по стъпка, което води до постепенното разкъсване на връзката между двата азотни атома. В хода на експериментите са изолирани различни междинни съединения (N₂²⁻, N₂³⁻ и N₂⁴⁻), преди в крайна сметка молекулата да се раздели на два нитридни йона (N³⁻).

Уранът отново във фокуса на химията на азота

Едно от най-важните открития в това изследване е, че катализаторът на основата на уран може да работи циклично – многократно да превръща азотен газ в амоняк, като достига до 8,8 еквивалента амоняк на молекула катализатор. Това е първият път, в който страничното свързване на азота – подобно на биологичното – е използвано успешно в лабораторен катализ.

Резултатите показват, че уранът – един от първите метали, използвани в индустриалната химия на амоняка – притежава неразгърнат потенциал за бъдещи приложения. Този нов подход не само хвърля светлина върху неразгадани досега стъпки в химичната трансформация на азота, но и предоставя алтернатива на настоящите енергийно интензивни методи.

Нов път към устойчиво производство на амоняк

Откритието има потенциала да преобрази индустрията, като въведе нови методи за производство на амоняк, които са по-щадящи за околната среда и по-икономични в дългосрочен план. Използването на уран в подобен контекст поставя нови въпроси пред науката, но и предлага нови хоризонти в търсенето на ефективни и устойчиви химични процеси.

DOI: 10.1038/s41557-025-01867-z

Източник: Phys.org