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
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.