Химики предлагают новые катализаторы процесса, на котором держится вся биосфера планеты

Метаматериал с нанодисками серебра на поверхности монослоя дисульфида молибдена (MoS2). Иллюстрация Physorg

Накануне Первой мировой войны немецкие химики активно боролись с конкурентами из Франции и «имперцами» на островах, создав свою лакокрасочную промышленность – «И.Г. Фарбениндустри». Но Германия с трудом кормила народ. Дело в том, что соперники «гнали» из Южной Америки и Африки большие количества гуано – так индейцы кечуа называли навоз и в данном случае – продукт естественной переработки помета морских птиц, содержащий азот и фосфор (нитрофос). После добавления калия эта субстанция представляет собой известное удобрение – нитрофоску. Гуано вносилось на поля, что давало прирост биомассы в виде урожая и овечьей шерсти, из которой делали сукно для солдат. Германия при этом проигрывала…

Немец Фриц Габер и ученик его Карл Бош в 1909 году наладили промышленное производство аммиака буквально из воздуха, вернее азота, концентрация которого в атмосфере достигает 80%. В отличие от почти что инертного азота  аммиак (NHз) легко окисляется, давая растворимые нитраты и нитриты. Получение аммиака путем интенсивного нагревания воздуха до высоких температур под давлением в сотни атмосфер было по достоинству оценено в Стокгольме. В результате Габер получил Нобелевскую премию по химии в 1918 году. «За синтез аммиака из составляющих его элементов». В 1931 году нобелевской награды удостоился и Карл Бош – «За заслуги по введению и развитию методов высокого давления в химии, что представляет собой эпохальное событие в области химической технологии».

Химики давно искали замену этому дорогостоящему методу, создающему к тому же большую экологическую угрозу. Давно известно, что одним из методов «холодного» получения аммиака является использование катализаторов на основе металлов переходной группы, а также графита с добавлением калия.

Недавно ученые Токийского университета предложили для фиксации азота катализатор следующего поколения, используя дешевые и экологически дружественные ингредиенты. В качестве среды они использовали спиртовые и даже водные растворы дийодида самария (SmI2). Сама же фиксация азота катализируется декаметил‑кобальтоценом (вещество с 10 метильными группами – СНз) в комплексе с молибденом. Количество получаемого таким образом аммиака оказалось в 10–100 раз больше по сравнению с другими известными методами.

Столь резкий скачок обусловлен значительно более эффективным переносом электронов, сопряженным, как говорят химики, с протонированием (добавлением протонов, или ядер водорода, известного восстановителя – на гремучей смеси водорода с кислородом запускали челноки‑шаттлы).

Ученые признают, что процесс пока неприменим в промышленности, тем не менее его осуществление демонстрирует необходимость дальнейших исследований в области каталитической фиксации атмосферного азота. Это миллиарды лет делает фермент нитрогеназа примитивных бактерий, живущих в корнях бобовых и некоторых деревьев. В результате метаболизма этих микроорганизмов почва обогащается легко усваиваемыми растениями нитратами и нитритами. На этом и держится вся биосфера Земли.