Вы, вероятно, слышали об аммиаке, особенно в связи с сельским хозяйством, где он является важным компонентом удобрений, которые питают сельскохозяйственные культуры, от которых зависит вся наша жизнь. Но вот несколько цифр, которые дают представление о том, почему аммиак так важен и действенен: ежегодно производится чуть менее 200 миллионов тонн аммиака, и 80% из них используется для производства удобрений. Кроме того, на его производство приходится около 2% всего мирового потребления энергии и, соответственно, около 2% всех мировых выбросов углекислого газа. Учитывая все это, становится понятным, почему исследователи по всему миру пытаются создать более чистый и эффективный способ получения аммиака.

Профессор Йошиаки Нисибаяси с факультета прикладной химии Токийского университета и его команда недавно добились значительных успехов в достижении этой цели. Им удалось разработать новую каталитическую систему для получения аммиака из молекул, в изобилии встречающихся на Земле, включая атмосферный азот и воду. Ключ заключается в сочетании двух видов катализаторов, промежуточных соединений, которые активизируют или ускоряют реакции, не внося свой вклад в конечную смесь, изготовленную специально для производства аммиака, и которые приводятся в действие солнечным светом.

"Это первый успешный пример фотокаталитического производства аммиака с использованием атмосферного динитрогена в качестве источника азота и воды в качестве источника протонов, который также использует энергию видимого света и два вида молекулярных катализаторов", - сказал Нисибаяши. "Мы использовали иридиевый фотокатализатор и другое химическое вещество, называемое третичным фосфином, которое позволило фотохимически активировать молекулы воды. Эффективность реакции оказалась выше, чем ожидалось, по сравнению с предыдущими сообщениями о фотокаталитическом образовании аммиака под действием видимого света".

Особенность химических реакций в том, что они не всегда происходят так быстро, как вы хотите, или так, как вы хотите. А чтобы контролировать результат, эффективность, сроки и так далее процесса, вам необходимо задействовать дополнительные компоненты, помимо просто сырых ингредиентов. Вот тут-то и вступают в действие катализаторы. Нисибаяши и его команда использовали два катализатора для этих экспериментов, один на основе переходного металла молибдена для активации динитрогена, а другой на основе переходного металла иридия для фотоактивации как третичных фосфинов, так и воды. Третий компонент, называемый третичными фосфинами, также является ключевым для извлечения протонов из молекул воды.

"Когда иридиевый фотокатализатор поглощает солнечный свет, его возбужденное состояние может окислять третичные фосфины. Затем окисленные третичные фосфины активируют молекулы воды путем образования химической связи между атомом фосфора фосфина и водой, образуя протоны", - сказал Нисибаяши. "Затем молибденовый катализатор позволяет азоту связываться с этими протонами, превращаясь в аммиак. Использование воды для получения дигидрогена или атомов водорода является одним из наиболее важных процессов для получения экологически чистого аммиака."

Команде удалось провести эту реакцию в масштабе, в 10 раз превышающем масштаб предыдущих экспериментов, что позволяет предположить, что она готова к испытаниям в более крупных масштабах, хотя все еще остаются некоторые проблемы, которые могли бы еще больше повысить безопасность и эффективность. Некоторые компоненты, такие как третичные фосфины, могут быть получены с использованием солнечной энергии или переработаны из оксидов фосфина. И хотя сами по себе они стабильны, они могут быть токсичными при попадании в организм людей, поэтому было бы идеально найти ответственный способ их утилизации.

"В растениях аммиак образуется путем биологической фиксации азота с помощью цианобактерий и связан с фотосинтезом", - сказал Нисибаяси. "Здесь электроны для реакции поступают в результате фотосинтеза, а протоны получаются из воды. Таким образом, результаты нашего недавнего исследования можно рассматривать как успешный пример искусственного фотосинтеза аммиака".