ammoniak, het hoofdbestanddeel van stikstofhoudende meststoffen, heeft de wereld helpen voeden sinds de Eerste Wereldoorlog. Maar ammoniak maken op industriële schaal kost veel energie, en het is verantwoordelijk voor meer dan één procent van de totale energiegerelateerde koolstofemissies in de wereld.

In de natuur, het enzym stikstofase produceert ammoniak op een veel milieuvriendelijkere manier. Onderzoekers proberen beter te begrijpen hoe stikstofase werkt als een katalysator om stikstof af te breken. Wat ze leren, kan leiden tot nieuwe bio-geïnspireerde ontwerpen die de manier waarop meststoffen worden gemaakt verbeteren.

Een recente ontdekking door een onderzoeksteam van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en verschillende universiteiten overschrijdt een enorme hindernis in de richting van dat doel. Ze identificeerden, Voor de eerste keer, de ongrijpbare moleculaire structuur in stikstofase die stikstof afbreekt om ammoniak te produceren. Deze structuur, aangeduid als het Janus-tussenproduct, vertegenwoordigt het keerpunt in het stikstofasepad naar ammoniak.

Het onderzoek van het team wordt beschreven in een onderzoeksartikel gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Simone Raugei, een theoretisch chemicus en een van de corresponderende auteurs van de studie, zei dat de structuur van het Janus-tussenproduct - met name de ruimtelijke relaties van zijn elektronen en protonen - belangrijk is omdat het licht werpt op hoe stikstofase vier elektronen kan opslaan in een zeer kleine cluster van atomen om het verbreken van de sterke chemische binding van stikstofgas mogelijk te maken. Elektronen willen elkaar van nature afstoten, dus het is lastig om ze rond te draaien in een beperkte ruimte.

"Begrijpen hoe je vier extra elektronen kunt parkeren in een toch al zeer elektronenrijk gebied is een echte uitdaging voor synthetische chemici, ' zei Raugei.

Om de structuur van het Janus-tussenproduct op te lossen, het onderzoeksteam gebruikte computersimulaties in combinatie met een magnetische resonantie-analysetechniek om de moleculaire en elektronische structuur van de ongepaarde elektronen te verklaren. Het resultaat was een eenvoudige, maar robuust analytisch model dat in staat is om de belangrijkste elementen van de interactie tussen de kernen en de elektronenwolk in het Janus-tussenproduct te reproduceren. Dit model was in staat om ondubbelzinnig één structuur te onderscheiden van alle mogelijke structurele kandidaten die de experimentele gegevens konden reproduceren. In dat model is twee negatief geladen waterstofatomen (hydriden genaamd) vormen bruggen met twee ijzerionen om de extra elektronen op te vangen.

Deze resultaten betekenen een enorme stap voorwaarts in de zoektocht naar een betere manier om ammoniak te synthetiseren. De volgende stap zal zijn om uit te zoeken hoe de elektronen die zijn opgeslagen in de overbruggende hydriden in het stikstofmolecuul stromen en hoe de sterke drievoudige binding wordt verscheurd.

Het volledige onderzoeksteam omvatte Simone Raugei van PNNL; Lance C. Seefeldt van de Utah State University en PNNL; Veronika Hoeke en Brian M. Hoffman van de Northwestern University; Laura Tociu van de Universiteit van Chicago; en David A. Case van de Rutgers University. Het werk werd ondersteund door het Department of Energy (DOE), de nationale gezondheidsinstituten, en de National Science Foundation.