Обильный в природе (78% воздуха, которым мы дышим), азот редко используется в промышленном производстве химикатов, при этом наиболее важным процессом является синтез аммиака, который, в свою очередь, используется для получения сельскохозяйственных удобрения.
Использование азота в качестве сырья («исходного сырья») для промышленного использования осуществляется с помощью реакции, известной как «фиксация азота». В этой реакции молекулярный азот (или «диазот»; N2) расщепляется на два атома азота, которые затем могут быть соединены с другими элементами, такими как водород или углерод, что позволяет азоту хранится в виде аммиака или преобразуется непосредственно в более ценные соединения.
Но аммиак нелегко производить в промышленных масштабах; в основном процессе, называемом «Габер-Бош», используется катализатор на основе железа при температуре около 450°C и давлении 300 бар, что почти в 300 раз превышает давление на уровне моря. Чтобы сделать процесс более рентабельным, химики сосредоточились на разработке новых систем, которые могут преобразовывать азот в полезные соединения в мягких низкоэнергетических условиях.
В 2017 году лаборатория Маринеллы Маццанти в EPFL смогла преобразовать молекулярный азот в аммиак в условиях окружающей среды путем синтеза соединения, содержащего два иона урана (III) и три калиевых центра, удерживаемых вместе нитридной группой.
Теперь группа в сотрудничестве с другими группами EPFL показала, что, заменив нитридный мостик в урановой системе на оксо-мост, они все еще могут связывать диазот. Кроме того, связанный диазот может быть легко расщеплен в условиях окружающей среды монооксидом углерода с образованием цианамида, соединения, которое широко используется в сельском хозяйстве, фармацевтике и различных органических соединениях.
Реакционная способность диазотистого комплекса с оксо-мостиком заметно отличалась от предшествующего нитридного комплекса и нескольких других азотных комплексов, известных в данной области. Затем компьютерные исследования позволили ученым связать эти различия в реакционной способности со связью в уран-оксо/нитридном мостике.
«Эти результаты дают важное представление о взаимосвязи между структурой и реакционной способностью, которая должна распространяться на нитридные и оксидные материалы», - говорит Маринелла Маццанти. «Более того, внедрение этих соединений в каталитические системы может в конечном итоге привести к более дешевому доступу к удобрениям».