Мировая химическая промышленность вырабатывает в год около 200 млн тонн аммиака, затрачивая на это примерно 2 % мирового энергопотребления. При этом почти 80 % идет на производство удобрений. Так как производство аммиака связано с чрезвычайно высокими затратами энергии, химики не оставляют попыток найти более экономичный метод. Ученые из Японии взяли за основу естественные процессы, происходящие в растениях. Соединив атмосферный азот, воду и солнечный свет и добавив два катализатора, они получили значительное количество аммиака без дополнительных затрат энергии.

Команда химиков из Университета Токио разработала новую каталитическую систему производства аммиака из доступных молекул, в том числе, из азота и воды. Ключевая особенность инновации — в сочетании двух типов катализаторов, созданных специально для синтеза аммиака. Активирует эти катализаторы солнечный свет.

«Это первый успешный пример фотокаталитического производства аммиака при помощи атмосферного диазота в качестве источника азота и воды в качестве источника протонов, в котором также применяется энергия видимого света и два типа молекулярных катализаторов, — сказал профессор Есиаки Нисибаяси. — Мы использовали иридиевый фотокатализатор и третичные фосфины, другое химическое вещество, которое обеспечивает фотохимическую активацию молекул воды. Эффективность реакции оказалась выше, чем мы ожидали, по сравнению с результатами предыдущих экспериментов по образованию фотокаталитического аммиака под действием видимого света».

Первый из двух катализаторов, синтезированных учеными, основан на переходном металле молибдене и служит для активации диазота. Второй — на основе переходного металла иридия для фотоактивации как третичных фосфинов, так и воды. Задача третьего компонента, третичного фосфина, помогать извлекать протоны из молекул воды.

Как пишет EurekAlert, разработанная учеными реакция готова к испытаниям в более крупных масштабах, хотя для повышения безопасности и эффективности еще предстоит решить ряд проблем. Некоторые компоненты, к примеру, третичные фосфины, можно было бы производить с использованием солнечной энергии или перерабатывать из фосфиноксидов. И хотя они сами по себе стабильны, они могут быть токсичными при попадании внутрь человека, поэтому было бы идеально найти экологически безвредный способ их утилизации или переработки.

«В растениях аммиак образуется в результате биологической фиксации азота с помощью цианобактерий и связан с фотосинтезом, — сказал Нисибаяси. — Здесь электроны для реакции образуются фотосинтезом, а протоны извлекаются из воды. Поэтому результаты нашего недавнего исследования можно рассматривать как успешный пример искусственного фотосинтеза аммиака».