Сегодня химики из Университета штата Юта публикуют другой метод, использующий природные ферменты, который генерирует аммиак при комнатной температуре. В качестве бонуса реакция генерирует небольшой электрический ток.
Метод опубликован в Angewandte Chemie International Edition.Хотя профессору химии, материаловедения и инженерии Шелли Минтир и докторанту Россу Милтону пока удалось произвести лишь небольшие количества аммиака, их метод может привести к менее энергоемкому источнику аммиака, используемому во всем мире в качестве жизненно важного удобрения.«Это спонтанный процесс, поэтому вместо того, чтобы вкладывать энергию, он вырабатывает собственное электричество», — говорит Минтир.
Как сделать аммиакИ процесс Хабера-Боша (названный также в честь Карла Боша, который расширил этот процесс до промышленного производства), и процесс, разработанный Минтиром и Милтоном, основаны на фундаментальных химических принципах. Чтобы получить аммиак, состоящий из одного атома азота и трех атомов водорода, химики должны разорвать прочную связь, удерживающую два атома азота вместе, а затем восстановить азот или добавить к нему электроны и протоны в виде водорода. В процессе Габера-Боша водород и газообразный азот перекачиваются через слои металлических катализаторов, которые способствуют реакции, при давлении, в 250 раз превышающем атмосферное, и температуре до 500 градусов Цельсия (932 F).
В настоящее время в процессе ежегодно производится около 500 миллионов тонн аммиака.Моделирование клетки
В биологии превращение газообразного азота в аммиак называется «фиксацией азота» и осуществляется несколькими путями, в том числе с помощью ферментов, называемых нитрогеназами. Нитрогеназы, используемые некоторыми бактериями, являются единственными известными ферментами для восстановления азота до аммиака. Нитрогеназа редко изучается при применении в топливных элементах, потому что фермент коммерчески недоступен и с ним нужно обращаться в бескислородной среде.
«Одна из вещей, которые моя группа делает хорошо, — это проектирование интерфейса между ферментом и электродом, чтобы ферменты могли взаимодействовать с поверхностями электродов», — говорит Минтир.Минтир и Милтон представили систему топливных элементов, которая воспроизводит биологический процесс фиксации азота, используя нитрогеназу и гидрогеназу, фермент, любезно предоставленный сотрудниками Minteer из Instituto de Catalisis y Petroleoquimica в Испании, для удаления электронов из газообразного водорода и обеспечения их азотовосстанавливающая реакция.Ячейка состоит из двух отсеков, соединенных электродами из копировальной бумаги.
В одном флаконе газообразный водород окисляется гидрогеназой, и электроны переносятся к аноду. В другом случае электроны отрываются от катода и соединяются с азотом через нитрогеназу с образованием аммиака.
Электроны движутся от анода к катоду по цепи. Протоны (окисленные атомы водорода) проходят через мембрану между анодной и катодной камерами, поставляя атомы водорода, необходимые для синтеза аммиака.Движение электронов создает ток и является источником небольшого количества электроэнергии, генерируемой в результате реакции.
Увеличение масштабаЕще предстоит решить несколько проблем, прежде чем маломасштабный процесс Minteer и Milton сможет найти применение в промышленном масштабе.
Один из них — чувствительность нитрогеназы к кислороду, другой — потребность в химически дорогом АТФ, источнике энергии в клетках и для фиксации азота. Милтон говорит, что реорганизация реакции, чтобы обойти необходимость в АТФ, выведет топливный элемент «на новый уровень». До тех пор, по его словам, наиболее заметным и важным аспектом этой работы является производство аммиака без значительных потерь энергии, характерных для стандартных промышленных процессов.
«На самом деле дело не в количестве произведенного аммиака, а в том, что одновременно можно производить электричество», — говорит Милтон.