Leren van de natuur, wetenschappers van het Center for Sustainable Resource Science in Japan en het Korean Basic Science Institute (KBSI) hebben een katalysator gevonden die nitraat efficiënt omzet in nitriet - een voor het milieu belangrijke reactie - zonder hoge temperatuur of zuurgraad, en hebben nu het mechanisme geïdentificeerd dat deze efficiëntie mogelijk maakt.

Stikstof is een belangrijk element voor verschillende biologische processen, maar het is vaak nodig om het in een of andere vorm om te zetten, in een systeem dat bekend staat als de stikstofcyclus. In de natuur, dit wordt meestal uitgevoerd door bacteriën en andere micro-organismen, die de prestatie kan leveren bij omgevingstemperatuur en milde pH-omstandigheden. Onlangs, het overmatig gebruik van stikstofmeststoffen als reactie op de bevolkingsgroei heeft geleid tot ernstige waterverontreiniging door de aanwezigheid van nitraat (NO ₃ ^- ) ionen in meststoffen. Afvloeiing uit de landbouw kan leiden tot nitraatverontreiniging van drinkwater, en de eutrofiëring van meren en moerassen, wat leidt tot algengroei. Als resultaat, het is noodzakelijk geworden om de emissie van nitraationen naar het milieu te verminderen.

Afvalwaterreiniging met microben wordt momenteel uitgevoerd, maar het is niet altijd mogelijk om dit te doen, omdat de concentratie van nitraat het voor micro-organismen onmogelijk kan maken om te overleven. Er zijn pogingen gedaan om katalysatoren te maken die dezelfde taak kunnen uitvoeren als bacteriën. Helaas, vanwege de hoge stabiliteit van nitraat, deze dure zeldzame metaalkatalysatoren vereisen hoge temperatuur, ultraviolette fotolyse, of sterk zure omgevingen. Zo was de ontwikkeling van katalysatoren die de transformatie goedkoop konden uitvoeren bij omgevingstemperaturen een belangrijk onderzoeksdoel.

Onlangs, een internationaal team onder leiding van Ryuhei Nakamura van het RIKEN Centre for Sustainable Resource Science (CSRS), besloten om dezelfde methode te gebruiken als nitraatreductase, een enzym dat door micro-organismen wordt gebruikt, en slaagde in het chemisch synthetiseren van oxo-bevattend molybdeensulfide, die in staat was nitraat te katalyseren tot nitriet in een waterige elektrolyt bij neutrale pH.

Nutsvoorzieningen, in onderzoek gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie , ze hebben een verscheidenheid aan methoden gebruikt om te bepalen dat hun katalysator een reactie-actieve plaats bevat die vergelijkbaar is met wat wordt gevonden in natuurlijk nitraatreductase. Ze hadden oxo-bevattend molybdeensulfide geïdentificeerd als een veelbelovende kandidaat, en wist dat het beter werkte dan andere katalysatoren, maar ze wisten niet waarom. Ze gingen het bestuderen door chemische soorten op het oppervlak te observeren in de aanwezigheid van een reductiemiddel - in dit geval dithioniet-ionen - met behulp van moleculaire spectroscopie (elektronenparamagnetische resonantiespectroscopie (EPR) en Raman-spectroscopie. "We veronderstelden, " zegt eerste auteur Yamei Li, die het werk deed bij RIKEN CSRS en momenteel aan het Tokyo Institute of Technology werkt, "dat de oxo-molybdeensulfide-katalysatoren actieve plaatsen kunnen hebben die vergelijkbaar zijn met die in enzymen. Om deze hypothese te testen, we hebben geprobeerd na te gaan hoe chemische soorten op het katalysatoroppervlak veranderen met behulp van moleculaire spectroscopie."

Hun belangrijkste bevinding was dat vijfwaardig molybdeen met zuurstofliganden - een van de tussenproducten - functioneerde als een actieve soort die de reactie versnelde, en toonde aan dat deze actieve soort een structuur heeft die lijkt op de actieve kern van natuurlijk nitraatreductase. Hun studies met EPR-spectroscopie bevestigden dit, vinden dat de zuurstof en zwavel, liganden van het molybdeen spelen ook een belangrijke rol bij het efficiënt produceren van de vijfwaardige oxo-molybdeensoorten op het katalysatoroppervlak.

Volgens Nakamura, "Dit resultaat laat zien dat nitraationen kunnen worden ontgift in een milde omgeving zonder afhankelijk te zijn van katalysatoren van zeldzame metalen. We hopen dat dit de ontwikkeling mogelijk zal maken van nieuwe technologie voor het synthetiseren van ammoniak uit afvalvloeistof."

De resultaten van dit onderzoek hebben een bijdrage geleverd aan Doel 7:"Betaalbare en schone energie" en Doel 14:"Leven onder water" van de Sustainable Development Goals (SDG's) van de Verenigde Naties.