Органика

Искусственный фотосинтетический синтез аммиака из азота при комнатной температуре с использованием природной морской воды

Химики продемонстрировали светоиндуцированную продукцию аммиака из молекулярного азота в воде при нормальной температуре и давлении с квантовым выходом 5,0%. Система на основе недорогих солей железа(II) генерирует сольватированные электроны при облучении ультрафиолетом диапазона C; эти электроны восстанавливают молибденовый катализатор, а образующиеся ионы Fe(III) восстанавливаются обратно до Fe(II), окисляя воду. Реакция работает в неочищенной морской воде и на атмосферном воздухе.

molynx 2 мин чтения
Искусственный фотосинтетический синтез аммиака из азота при комнатной температуре с использованием природной морской воды
Рис. 1. Образование аммиака при восстановлении азота с использованием гомогенных катализаторов

Естественный фотосинтез использует свет и воду как источник энергии для клеточной активности. Несмотря на значительные успехи в воспроизведении отдельных элементов фотосинтеза, эффективное сопряжение восстановления диниазота до аммиака с окислением воды остаётся сложной задачей.

В новой работе сообщается о светоиндуцированной продукции аммиака из диниазота в воде при нормальной температуре и давлении с квантовым выходом 5,0%. Система построена на недорогих солях железа(II), которые при облучении ультрафиолетовым светом диапазона C (УФ-C) претерпевают фотоионизацию и дают сольватированные (гидратированные) электроны. Эти электроны восстанавливают молибденовый катализатор, осуществляющий восстановление N2 до аммиака.

Образующиеся при этом ионы Fe(III) также поглощают ультрафиолетовый свет и восстанавливаются обратно до Fe(II), окисляя воду. Таким образом, окисление воды оказывается сопряжено с восстановлением азота на одном фотохимическом цикле Fe(II)/Fe(III), без расходуемого восстановителя.

Рис. 2. Окисление воды, сопряжённое с восстановлением азота, с использованием прекурсоров берлинской лазури
Рис. 2. Окисление воды, сопряжённое с восстановлением азота, с использованием прекурсоров берлинской лазури

Авторы подробно исследовали кинетику образования и потерь фотоотщеплённых электронов и дали количественную характеристику этих процессов.

Рис. 3. Кинетическая и количественная характеристика образования и потери фотоотрываемых электронов
Рис. 3. Кинетическая и количественная характеристика образования и потери фотоотрываемых электронов

Низкая растворимость азота в воде ограничивает катализ. Это ограничение авторы обошли, используя повышенное давление диниазота, что позволило достичь фотохимического квантового выхода 10,8%.

Суммарный процесс описывается сбалансированными уравнениями превращения азота и воды в аммиак и молекулярный кислород. По расчётам, процесс эндэргоничен на 329,2 кДж/моль, что согласуется с фотосинтетическим процессом, эффективность конверсии световой энергии в химическую которого составляет 7,6%.

Рис. 4. Уравновешенные уравнения превращения азота и воды в аммиак и молекулярный кислород
Рис. 4. Уравновешенные уравнения превращения азота и воды в аммиак и молекулярный кислород

Авторы также показали, что реакция сохраняет работоспособность даже в неочищенной морской воде и на атмосферном воздухе, и сравнили продукцию аммиака с солями Fe2+ и Fe3+ в этих условиях.

Рис. 5. Сравнение выхода NH3 при использовании солей Fe2+ или Fe3+ на воздухе или в морской воде
Рис. 5. Сравнение выхода NH3 при использовании солей Fe2+ или Fe3+ на воздухе или в морской воде

Среди ограничений подхода — необходимость УФ-C облучения, низкая растворимость N2 в воде при атмосферных условиях и то, что квантовый выход 10,8% достигается лишь при повышенном давлении азота.

Комментарий редакции и разбор — в Telegram @molynx_ru