BioNyt Videnskabens Verden

ONLINE

2015

Nyheder samlet af Ole Terney.

 

 

Porøst materiale med indhold af en kemisk katalysator kan ved belysning og uden opvarmning lave ammoniak (kvælstofgødning). Det har man ønsket at kunne gøre i 60 år. 

Det er lykkedes forskere at udvikle en katalysator, der kan udføre en bemærkelsesværdig bedrift, som kun findes i naturen - nemlig at tage kvælstof fra luften og ændre det til gødningsstoffet ammoniak uden behov for høje temperaturer eller højt tryk

Metoden bruger lys som energikilde og åbner dermed mulighed for, at man kan opnå en mere miljøvenlig gødningsproduktion, idet ammoniak er den kritiske komponent i gødning.

Forskere har i over 60 år været fascineret af det biologiske enzym nitrogenase, der katalyserer reaktionen i naturen. Den nye forskninger en vellykket efterligning af naturens proces.

Luften består hovedsagelig af kvælstof, men planter kan ikke bruge det. Planter er afhængige af kvælstoffikseringsprocessen for at få gødningsformer af nitrogen, der kan bruges til plantens vækst. Nitrogen direkte fra atmosfæren er utilgængelige for planter, fordi dette mikronæringsstof skal være i en kemisk-reduceret form, såsom på ammoniak-form.

Kvælstof kan industrielt omdannes til ammoniak ved hjælp af Haber-Bosch metoden. Men Haber-Bosch-processen forbruger mere end 1 procent af verdens energiforsyning.

Luftens kvælstof er meget lidt villig til at reagere med andre stoffer. Den frie nitrogen i atmosfæren har tre enkelt-kovalente bindinger, som er meget vanskelige at bryde.

For at angribe problemet benyttede forskerne et interessant materiale, som kaldes en chalcogel. Det er et porøst materiale, der ligner en svamp, og som derfor giver et meget stort overfladeareal. Forskerne lavede en chalcogel med et indhold af jern, molybdæn og svovl (FeMoS), som er de vigtigste metaller, der findes i nitrogenase-enzymet, som er det enzym, der frembringer en kemisk-reducering af nitrogen (kvælstof). 

Stoffets store overfladeareal medfører, at der er talrige reaktive steder, hvor kvælstof kan reagere, når det sendes igennem det svampelignende materiale.

Chalcogel-materialet er sort, og derfor absorberer det meget lys. Nitrogenase-enzymet får sin energi fra andre energikilder end sollys, men forskerne fik den skøre idé, at hvis de belyste chalcogel under tilstedeværelse af kvælstof ville lyset måske på en eller anden måde kunne give energi til at reducere kvælstof til ammoniak. Til deres overraskelse blev ammoniak faktisk dannet, og dannelsen af ammoniakken blev mere og mere intens med tiden.

Den benyttede FeMoS co-faktor i chalcogel binder til nitrogen og kemisk-reducerer dette nitrogen med otte elektroner, hvilket medfører dannelse af to ammoniakmolekyler og et hydrogen-molekyle, ligesom det sker i naturen.

Efter de første positive resultater udførte forskerne en række kontrolforsøg, der bekræftede, at den ammoniak, der blev produceret, faktisk kommer fra det tilførte kvælstof og ikke fra en anden kilde.

Det anvendte chalcogel-materiale er meget robust, og kan bare fortsætte sin katalysator-virkning igen og igen. Nitrogenase-enzymet i biologiske systemer skal derimod genopbygge sig selv efter 6-8 timers funktion.

Forskerne har erkendt, at deres katalysator er langsommere end naturens nitrogenase, nemlig cirka 1.000 gange langsommere.

Men nitrogenase-enzymet i naturen har haft 2-3 milliarder år at udvikle sig i. Desuden forventer forskerne at kunne forbedre katalysefunktionen af deres chalcogel-materiale. Det er en imponerende opdagelse, forskerne har gjort, men stadig kun et "proof of concept". Metoden er næppe umiddelbart færdig til praktisk anvendelse.

Forskningen er udført ved Northwestern University i USA.

Abhishek Banerjee, Benjamin D. Yuhas, Eric A. Margulies, Yongbo Zhang, Yurina Shim, Michael R. Wasielewski, Mercouri G. Kanatzidis. Photochemical Nitrogen Conversion to Ammonia in Ambient Conditions with FeMoS-Chalcogels. Journal of the American Chemical Society, 2015; 150129102458007 DOI: 10.1021/ja512491v


Læs mere

Du kan tilmelde dig til at modtage disse nyheder på email eller ændre din email og tilmelde endnu 2 emails ved at udfylde felterne i "Tilmeld dig til at modtage gratis emails om ny forskning fra BioNyt Videnskabens Verden ONLINE.")

Du opfordres til at fortælle andre om BioNyt's gratis mail-service (på Facebook, blogs, twitter osv. ). Disse mails er gratis, og laves fordi det er interessant at følge forskningens resultater, samt for at gøre opmærksom på abonnementstidsskriftet BioNyt Videnskabens Verden, som er Danmarks ældste populærvidenskabelige tidsskrift om international naturvidenskabelig forskning. Mange aktuelle emner behandles grundigt i bladet, men samtidig så let skrevet som emnet tillader.