Исследователям удалось преобразовать атмосферный азот в аммиак

Ученые продемонстрировали, что комбинация светоактивируемых нанокристаллов и ферментов позволяет превращать газообразный азот в аммиак. Это открытие может послужить основой для будущих технологий снижения энергоемкости производства удобрений.

Аммиак является ключевым элементом мировой аграрной системы: на его основе создаются азотные удобрения, поддерживающие производство продуктов питания во всем мире. Однако производство аммиака чрезвычайно энергоемко, на него приходится около 2% мирового потребления энергии. Примерно половина мирового аммиака производится промышленным методом Габера-Боша, а другая — образуется в результате биологической фиксации азота микроорганизмами.

Американские исследователи из Национальной лаборатории Скалистых гор (NLR) в сотрудничестве с коллегами из Университета Колорадо в Боулдере, Университета штата Юта и Университета Оклахомы изучили возможность использования света для запуска биологической фиксации азота в контролируемой системе. Результаты их исследований были опубликованы в журнале Cell Reports Physical Science.

Команда исследователей сосредоточилась на молибденовой нитрогеназе — ферменте, который естественным образом превращает атмосферный азот в аммиак без высоких температур и давлений, необходимых для реакции Габера-Боша. Хотя природная фиксация азота биологически эффективна, она географически рассредоточена, что ограничивает ее использование в крупномасштабном централизованном сельском хозяйстве.

Для решения этой проблемы исследователи изучили биогибридную систему, в которой молибденово-железный (MoFe) белковый компонент нитрогеназы сочетается с нанокристаллами сульфида кадмия (CdS). В этой системе нанокристаллы поглощают свет и генерируют высокоэнергетические электроны, которые затем напрямую передаются MoFe-белку и запускают восстановление азота до аммиака.

Более ранние работы группы показали, что нанокристаллы CdS могут заменить природный железосодержащий (Fe) белок фермента, который обычно поставляет электроны во время фиксации азота. Эта замена позволяет использовать свет — как солнечный, так и искусственный — в качестве источника энергии для реакции.

С помощью электронной парамагнитно-резонансной спектроскопии (ЭПР) исследователи отслеживали краткоживущие промежуточные продукты реакции, образующиеся во время активации азота. Частично заморозив систему, они замедлили реакцию настолько, чтобы наблюдать эти промежуточные состояния и восстановить последовательность этапов переноса электронов.

В центре исследования была проблема нейтрализации положительных зарядов (так называемых «дырок»), которые остаются при переходе возбужденных электронов из нанокристаллов к ферменту. Без эффективного связывания этих дырок электроны могут рекомбинировать или возвращаться обратно, уменьшая выход аммиака.

Эксперименты показали, что дитионит натрия, используемый в качестве поглотителя дырок, существенно влияет на скорость доставки электронов и общую эффективность восстановления азота. Регулируя его концентрацию, исследователи смогли усилить активацию азота и повысить каталитическую эффективность системы.

По мнению авторов, понимание роли переноса электронов и нейтрализации положительных зарядов в работе фермента может помочь в создании новых светоуправляемых систем фиксации азота. В перспективе такие технологии могут позволить локально производить аммиак из атмосферного азота, снижая энергозатраты и транспортные издержки.

Хотя работа пока находится на лабораторной стадии, она показывает, как биогибридные технологии в долгосрочной перспективе могут дополнить или частично заменить традиционные способы синтеза аммиака.