Chất xúc tác gốc Uranium chuyển đổi nitơ trong không khí thành amoniac
bởi Trường Bách khoa Liên bang Lausanne
Các chu trình xúc tác được đề xuất cho hệ thống DMBSTren uranium–N2. Nguồn: Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01867-z
Amoniac (NH3) rất quan trọng đối với nông nghiệp, vì nó là cơ sở cho các loại phân bón cần thiết để nuôi sống dân số thế giới. Hiện nay, amoniac chủ yếu được sản xuất bằng quy trình Haber-Bosch, biến khí nitơ (N2) từ không khí thành amoniac. Vấn đề là quy trình này đòi hỏi một lượng năng lượng khổng lồ đồng thời tạo ra lượng khí thải đáng kể.
Các nhà khoa học từ lâu đã tìm kiếm những phương pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn để sản xuất amoniac. Thiên nhiên thực hiện điều này một cách hiệu quả thông qua các enzyme gọi là nitrogenase, nhưng việc sao chép các quá trình sinh học này ở quy mô công nghiệp đã được chứng minh là một thách thức.
"Tất cả các chất xúc tác phân tử được phát triển cho đến nay thường gắn các phân tử nitơ - bao gồm hai nguyên tử nitơ liên kết với nhau - vào một trung tâm kim loại duy nhất theo kiểu sắp xếp tuyến tính, "end-on". Điều này có nghĩa là một phân tử nitơ chỉ liên kết với một kim loại, thông qua một trong hai nguyên tử của nó", Giáo sư Marinella Mazzanti tại EPFL cho biết.
"Ngược lại, thiên nhiên sử dụng phương pháp đa kim loại, trong đó các phân tử nitơ liên kết với nhiều hơn một kim loại. Người ta đã đề xuất rằng nitơ liên kết theo kiểu "song song", nghĩa là cả hai nguyên tử nitơ đều liên kết với hai kim loại, giúp phá vỡ các liên kết mạnh của chúng dễ dàng hơn."
Lấy cảm hứng từ thiên nhiên
Giờ đây, một nhóm nghiên cứu do Mazzanti dẫn đầu đã phát triển chất xúc tác urani phân tử đầu tiên có thể liên kết khí nitơ theo kiểu "song song" tương tự và chuyển đổi nó thành amoniac.
Công trình này, được đăng trên tạp chí Nature Chemistry, hé lộ một con đường xúc tác mới, kết nối hiệu quả sinh học với tính khả thi trong công nghiệp, đồng thời mở ra cánh cửa cho các phương pháp sản xuất amoniac bền vững hơn.
Các nhà khoa học đã chế tạo một phân tử đặc biệt bằng cách kết hợp urani với phối tử triamidoamine, tạo ra một phức hợp phân tử có thể giữ khí nitơ (N2) theo chiều ngang.
Sau đó, họ khử khí nitơ dần dần bằng cách thêm electron từng bước, phá vỡ liên kết mạnh mẽ giữa hai nguyên tử nitơ của khí.
Các nhà nghiên cứu đã cẩn thận nghiên cứu và phân lập các giai đoạn khác nhau của quá trình khử này, tạo ra các phân tử trung gian (các dạng nitơ như N22-, N23- và N24-) cho đến khi cuối cùng phân tách hoàn toàn nitơ thành hai ion nitride riêng biệt (N3-).
Một cách khác để tạo ra amoniac theo cách khác
Các thí nghiệm của họ cho thấy phức hợp urani có thể hoạt động lặp lại trong một chu trình, biến khí nitơ thành amoniac nhiều lần; cụ thể, lên đến 8,8 đương lượng amoniac trên mỗi chất xúc tác urani. Điều này lần đầu tiên chứng minh rằng liên kết nitơ theo chiều ngang - một chế độ liên kết có khả năng xảy ra trong các enzyme của tự nhiên - có thể cung cấp một con đường khả thi để sản xuất amoniac.
Chất xúc tác này làm sáng tỏ các bước chưa được biết đến trước đây trong hóa học chuyển đổi nitơ và cho thấy urani, vốn là một trong những kim loại đầu tiên được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất amoniac, vẫn còn tiềm năng chưa được khai thác.
Khám phá này cung cấp những hiểu biết quan trọng về hóa học nitơ và cho thấy các hệ thống dựa trên urani có thể mở ra những hướng đi mới cho các công nghệ sản xuất amoniac trong tương lai.
Thông tin thêm: Batov, M.S., et al. Chuyển đổi từng bước xúc tác và hóa lượng của di-nitơ liên kết phụ thành amoniac thông qua phức hợp urani., Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01867-z
Thông tin tạp chí: Nature Chemistry
Được cung cấp bởi Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
