«Это исследование потребовало синергии экспериментальных и вычислительных усилий в EFRC», — сказал руководитель исследования доктор Майкл Мок из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Изучение этой сложной реакции стало возможным благодаря многолетнему финансированию, которое предоставляет EFRC». EFRCs финансируются Управлением фундаментальных энергетических наук Управления науки Министерства энергетики США.
Почему это важноПроизводство аммиака для удобрений требует огромного количества энергии, и эта работа может однажды помочь решить эту проблему. Однако это исследование сосредоточено на другой важной проблеме: хранении прерывистой энергии ветра и солнца.
Панели солнечных батарей и ветряные турбины производят электроны, которые текут по линиям электропередач и питают электроприборы вокруг наших домов. Но когда облака накатываются, уровень солнечной энергии падает.
Что, если бы эти электроны могли храниться внутри химической связи в качестве энергоемкого хранилища? Это исследование, дополненное двумя предыдущими отчетами, посвященными пониманию реакционной способности диазота с хромом, может когда-нибудь привести к разработке системы с этим обычным металлом в качестве надежного катализатора.«Это исследование показывает, насколько важно перемещать шесть электронов и шесть протонов в правильном порядке», — сказал доктор Роджер Руссо, руководивший вычислительными исследованиями. «Это больше похоже на пасти кошек — и к тому же очень сложных кошек».
МетодыСуществует давняя традиция превращения диазота (N2) в аммиак (NH3) с использованием сложных молекулярных катализаторов, материалов, которые уменьшают препятствия для протекания реакции и не расходуются в процессе. Из металлов, изученных в колонке, известных как переходные металлы группы 6, хром, поддерживаемый фосфорными лигандами, не работал. Фактически, в работах с 1970 года до наших дней сообщалось о неудачах с использованием хрома даже в среде, которая, как считалось, заставляла его работать.
Однако Мок и его команда сосредоточили внимание на стабилизирующем эффекте атомов фосфора 12-членного лиганда, который частично окружал металлический хром. Каждый четвертый атом в кольце — это атом фосфора, который образует связь с атомом хрома.
Химические связи, образованные тремя атомами фосфора большого кольца вместе с двумя дополнительными атомами-донорами фосфора второго лиганда, делают атом хрома очень электронно-богатым, который затем может связывать диазот. После связывания тройная связь диазота ослабляется за счет координации с металлом.Команда показала, что правильное окружение усиливает способность хрома связывать и активировать диазот. Фактически, молекула диазота в этом случае более активирована, чем в аналогичных комплексах с более тяжелыми металлами, молибденом и вольфрамом, которые имеют свойства, аналогичные хрому.
Однако разрыв тройной связи диазота все еще остается деликатной задачей.Команда обнаружила, что управление количеством атомов фосфора и электронодонорной способностью этих атомов имеет решающее значение. Команда провела реакции с кислотой при -50 ° C, чтобы некоторые промежуточные продукты, содержащие азотно-водородные связи, не развалились. В этих реакциях ионы водорода из кислоты, окружающей комплекс, образуют лишь небольшое количество аммиака.
Они показали, что добавление кислоты заставляет протоны благоприятствовать связыванию с металлом, а это нежелательное соединение. Дополнительная оптимизация комплекса хрома и условий требуется для контроля образования желаемых азот-водородных связей.Что дальше?У реакции все еще есть секреты, которые нужно раскрыть.
Команда копается в двух из них. Во-первых, как образуются 12-членные кольца, поддерживающие хром? В экспериментах кольца самособираются вокруг хрома.
Какие факторы продиктовали это формирование? Кроме того, как можно контролировать протоны, чтобы предотвратить их связывание с богатым электронами хромом и образование дополнительных связей с азотом?
Ответы на эти вопросы могут привести к тому, что вы научитесь управлять окружающей средой, в которой происходит реакция, и получите катализатор, который будет быстрым, эффективным и долговечным для преобразования азота в аммиак.