De mensheid is voor voedsel afhankelijk van het ammonium in kunstmest. Echter, de productie van ammoniak uit stikstof is zeer energie-intensief en vereist het gebruik van overgangsmetalen.

Onderzoekers van Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Beieren, Duitsland, hebben nu de omzetting van stikstof in ammonium bij kamertemperatuur en lage druk bereikt zonder de noodzaak van overgangsmetalen. Dit werd gemeld door een onderzoeksgroep onder leiding van JMU-wetenschapper Holger Braunschweig in het tijdschrift Natuurchemie .

Een nieuwe toolbox voor het binden van stikstof

De industriële productie van ammoniak, het zogenaamde Haber-Bosch-proces, vereist hoge temperaturen en drukken, en verbruikt naar schatting ongeveer twee procent van alle energie die op aarde wordt geproduceerd. Dit proces is ook afhankelijk van overgangsmetaalelementen, relatief zware en reactieve atomen.

in 2018, Het team van professor Braunschweig rapporteerde de binding en chemische omzetting van stikstof met behulp van een molecuul dat alleen bestaat uit lichtere, niet-metaal atomen. Een jaar later, ze gebruikten een soortgelijk systeem om de eerste combinatie van twee stikstofmoleculen in het laboratorium te demonstreren, een reactie die anders alleen was waargenomen in de bovenste atmosfeer van de aarde en onder plasmacondities.

De sleutel in beide ontdekkingen was het gebruik van boor, het vijfde lichtste element, als het atoom waaraan de stikstof bindt. "Na deze twee ontdekkingen, het was duidelijk dat we een behoorlijk speciaal systeem in handen hadden, ", zegt Braunschweig.

Alleen water toevoegen

Hoewel hun systeem stikstof bindt en omzet, slechts de helft van de puzzelstukjes waren op hun plaats. "We wisten dat het voltooien van de omzetting van stikstof naar ammoniak een grote uitdaging zou zijn, omdat het een complexe opeenvolging van chemische reacties vereist die vaak onverenigbaar zijn met elkaar, " legt de JMU-hoogleraar uit.

De doorbraak kwam van de meest eenvoudige reagentia:sporen van water die in een monster achterbleven, waren voldoende om een ​​opeenvolgende reactie te bevorderen die het team slechts één stap verwijderd van het beoogde ammonium. Later werd ontdekt dat de belangrijkste reacties konden worden uitgevoerd met een vast zuur, waardoor de reacties opeenvolgend plaatsvinden in een enkele reactiekolf, alles op kamertemperatuur.

Ammonium maken met bier

Beseffend dat de verzuringsstap van het proces zelfs met eenvoudige reagentia zoals water bleek te werken, het team herhaalde de reactie met lokaal gebrouwen Würzburger Hofbräu-bier. Tot hun vreugde, ze waren in staat om het pre-ammoniumproduct in het reactiemengsel te detecteren.

"Dit experiment was deels een beetje leuk, maar het laat ook zien hoe tolerant het systeem is voor water en andere verbindingen, " legt Dr. Marc-André Légaré uit, de postdoctoraal onderzoeker die het onderzoek heeft geïnitieerd. "De reductie van stikstof tot ammoniak is een van de belangrijkste chemische reacties voor de mensheid. Dit is ongetwijfeld de eerste keer dat het met bier is gedaan, en het is bijzonder passend dat het in Duitsland is gedaan, " zegt dr. Rian Dewhurst, Akademischer Oberrat en co-auteur van de studie.

Nog veel werk te doen

De reactie, terwijl het opwindend is, is nog verre van een echt praktisch proces voor de industriële productie van ammonium. Ideaal, het vinden van een manier om de actieve soorten te hervormen zal nodig zijn om het proces energie-efficiënt en economisch te maken.

Hoe dan ook, de ontdekking is een opwindende demonstratie dat de lichtere elementen zelfs de grootste uitdagingen in de chemie aankunnen. "Er is hier nog veel te doen, maar borium en de andere lichtelementen hebben ons al zo vaak verrast. Ze zijn duidelijk tot veel meer in staat, ", zegt Holger Braunschweig.