Kvävefix

Molekylärt kväve (kväve, N=N) utgör cirka 78 procent av atmosfären. Det är den mest oreaktiva diatomiska arten som är känd. Intressant är dock att kväve krävs för allt liv; det används för att bygga proteiner och DNA. Därför måste dikväve omvandlas till en molekyl som lätt kan assimileras av växter. Den molekylen är ammoniak, NH3.





Före första världskriget upptäcktes den järnkatalyserade Haber-Bosch-processen för ammoniaksyntes vid höga temperaturer (350 till 550 °C) och tryck (150 till 350 atmosfärer) från dikväve och diväte (H2). Det är kanske den viktigaste industriella processen som någonsin utvecklats och ansvarig för en dramatisk ökning av jordens befolkning under 1900-talet, eftersom den tillhandahåller en pålitlig kvävekälla för gödningsmedel. Men eftersom Haber-Bosch-processen kräver höga temperaturer och tryck, förbrukar den enorma mängder energi; det uppskattas att så mycket som 1 procent av världens totala energiförbrukning ägnas åt processen.

Inuti spionprogramskandalen

Den här historien var en del av vårt majnummer 2006

  • Se resten av frågan
  • Prenumerera

Naturen minskar också kväve genom att använda metalloenzymer i bakterier och blågröna alger, men vid bara en atmosfär av tryck och milda temperaturer. Metalloenzymer, som kallas nitrogenaser, innehåller järn och vanligtvis molybden. Ända sedan upptäckten för mer än 40 år sedan har kemister spekulerat i hur reduktion av dikväve sker och om ett artificiellt nitrogenas skulle kunna utvecklas som skulle leda till en mer energieffektiv process än Haber-Bosch. Kanske har tusen manår och miljarder dollar spenderats på att studera hur nitrogenaser fungerar och på att försöka göra konstgjorda sådana.



2003 visade min grupp att det är möjligt att göra ammoniak katalytiskt från dikväve, protoner och elektroner. Detta åstadkommes vid a enda molybdenmetallcentrum. I närvaro av protoner och elektroner i ett icke-vattenhaltigt medium reduceras dikväve till ammoniak med en effektivitet i elektroner på cirka 65 procent; de återstående elektronerna används för att göra diväte, vilket i detta sammanhang är en slösaktig och oönskad produkt. Vår katalysator är inte bra, men det är en början.

Naturen har utvecklat en mycket optimerad version av kvävereduktionsprocessen under en period av några miljarder år. Vårt är ett artificiellt nitrogenas som knappt är katalytiskt. Vi försöker identifiera nyckelproblemet eller problemen som hindrar det från att fungera bra. Då kanske vi kan förbättra dess effektivitet.

Kan vi designa katalysatorer som är lika effektiva som naturliga nitrogenaser? Eventuellt. Kommer Haber-Bosch-processen någonsin att ersättas av katalysatorer som inte fungerar vid höga tryck och temperaturer? Okänd. Endast tid, pengar och uppfinningsrikedom kommer att avslöja svaret.



Richard R. Schrock, Frederick G. Keyes professor i kemi vid MIT, vann 2005 års Nobelpris i kemi.

Dölj