211service.com
Stikstof Fix
Moleculaire stikstof (distikstof, N=N) maakt ongeveer 78 procent van de atmosfeer uit. Het is de meest niet-reactieve diatomische soort die bekend is. Interessant is echter dat voor al het leven stikstof nodig is; het wordt gebruikt om eiwitten en DNA te bouwen. Daarom moet distikstof worden omgezet in een molecuul dat gemakkelijk door planten kan worden opgenomen. Dat molecuul is ammoniak, NH3.
Voorafgaand aan de Eerste Wereldoorlog werd het door ijzer gekatalyseerde Haber-Bosch-proces voor ammoniaksynthese bij hoge temperaturen (350 tot 550 ° C) en drukken (150 tot 350 atmosfeer) uit distikstof en diwaterstof (H2) ontdekt. Het is misschien wel het belangrijkste industriële proces dat ooit is ontwikkeld en verantwoordelijk voor een dramatische toename van de bevolking van de aarde in de 20e eeuw, omdat het een betrouwbare stikstofbron voor meststoffen levert. Maar omdat het Haber-Bosch-proces hoge temperaturen en drukken vereist, verbruikt het enorme hoeveelheden energie; naar schatting wordt maar liefst 1 procent van het totale energieverbruik in de wereld aan het proces besteed.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2006
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
De natuur vermindert ook distikstof met behulp van metallo-enzymen in bacteriën en blauwalgen, maar bij slechts één atmosfeer van druk en milde temperaturen. De metallo-enzymen, stikstofasen genaamd, bevatten ijzer en meestal molybdeen. Sinds hun ontdekking meer dan 40 jaar geleden, speculeren scheikundigen over hoe distikstofreductie plaatsvindt en of er een kunstmatige stikstofase zou kunnen worden ontwikkeld die zou leiden tot een energiezuiniger proces dan Haber-Bosch. Misschien zijn er duizend manjaren en miljarden dollars uitgegeven om te bestuderen hoe stikstofasen werken en om kunstmatige te maken.
In 2003 toonde mijn groep aan dat het mogelijk is om katalytisch ammoniak te maken uit distikstof, protonen en elektronen. Dit wordt bereikt op een enkel molybdeen metaal centrum. In aanwezigheid van protonen en elektronen in een niet-waterig medium wordt distikstof gereduceerd tot ammoniak met een efficiëntie in elektronen van ongeveer 65 procent; de resterende elektronen worden gebruikt om diwaterstof te maken, wat in deze context een verspillend en ongewenst product is. Onze katalysator is niet geweldig, maar het is een begin.
De natuur heeft over een periode van enkele miljarden jaren een sterk geoptimaliseerde versie van het stikstofreductieproces ontwikkeld. De onze is een kunstmatige stikstofase die nauwelijks katalytisch is. We proberen het belangrijkste probleem of de belangrijkste problemen te identificeren waardoor het niet goed werkt. Misschien kunnen we dan de efficiëntie ervan verbeteren.
Kunnen we katalysatoren ontwerpen die net zo efficiënt zijn als natuurlijke stikstofasen? Mogelijk. Zal het Haber-Bosch-proces ooit worden vervangen door katalysatoren die niet werken bij hoge drukken en temperaturen? Onbekend. Alleen tijd, geld en vindingrijkheid zullen het antwoord onthullen.
Richard R. Schrock, Frederick G. Keyes hoogleraar scheikunde aan het MIT, won in 2005 de Nobelprijs voor scheikunde.