Новости химической науки > Титан начинает работать в процессе Габера-Боша

Промышленный синтез аммиака, который мог бы осуществляться в более мягких условиях, потребляя меньше энергии и меньше ресурсов, может стать еще на шаг ближе.

Исследователи из Японии разработали трехядерный полигидридный комплекс титана, который может способствовать разрыву тройной связи в молекулярном азоте и образованию связи азот-водород при умеренных значениях температуры и давления в отсутствие дополнительных восстановителей или протонодоноров [1].

Азот является основным компонентом нашей атмосферы, он отличается значительной инертностью, однако производные азота критически важны для многих обменных процессов продуцентов и консументов, при этом ряд микроорганизмов могут переводить атмосферный азот в биологически доступные производные, восстанавливая молекулярный азот до аммиака или иона аммония. В промышленности аммиак производят с помощью процесса Боша-Габера, который требует такое количество энергии, что в масштабах мировой экономики на синтез аммиака тратится около 1% всей энергии, вырабатывающейся нашей цивилизацией. Процесс Боша-Габера представляет собой взаимодействие азота с водородом над активированной поверхностью железа; результатом процесса является аммиак, который затем используется либо как удобрение, либо как сырье для других химических процессов.

Новый комплекс титана может стать основой для получения более дешевого удобрения. (Рисунок из Science, 2013, 340, 1549)

Исключительная инертность молекулярного азота приводит к тому, что поиск и разработка металлокомплексов, способных связывать и активировать молекулу N₂ представляет собой непростую задачу.

Руководитель нового исследования Жаомин Ху (Zhaomin Hou) отмечает, что экспериметальное и теоретические исследование позволило определить, что восстановление водорода трехядерным титангидридным комплексом протекает последовательно через стадии расщепления молекулы азота, связанной с тремя атомами титана с последующим образованием связи N–H. Он добавляет, что связанные с атомами титана гидридные лиганды играют роль источников и электронов и протонов.

Расщепление тройной связи азот-азот и образование связи N–H непосредственно на гидридном комплексе наблюдалось лишь изредка, в качестве наиболее значимого примера можно привести пионерскую работу Майкла Фрижука (Michael Fryzuk), который первый продемонстрировал возможность реализации «гидридного пути» к комплексам азота [2].

Патрик Холланд (Patrick Holland) из Университета Рочестера (США) подчеркивает, что активные центры обоих типов катализаторов восстановления молекулярного азота – ферментов-нитрогеназ и катализаторов процесса Боша-Габера содержат гидридные фрагменты, однако ни для природных, ни для синтетических катализаторов механизм каталитического процесса пока еще не известен. Он добавляет, что исследователи из группы Ху точно установили структуры многих интермедиатов обнаруженного ими каталитического процесса, а эта работа позволит разработать новые катализаторы и оптимизировать структуру уже существующих.

Фрижук отмечает, что работа Ху имеет большое фундаментальное значение для понимания особенностей протекания таких простых реакций, как ключевые для процесса Боша-Габера стадии разрыва связей N≡N и образования связей N–H [3]. Он предсказывает, что результаты работы смогут изменить подход к активации молекулярного азота таким образом, что возможно, в перспективе, растворимый полиметаллический комплекс подходящего строения сможет использоваться для активации и функционализации молекулярного азота для получения как аммиака, так и других, более энергетически ценных производных азота.

Источники: [1] Science, 2013, 340, 1549 (DOI: 10.1126/science.1238663), [2] Chem. Commun., 2010, 46, 1013 (DOI: 10.1039/b922853e), [3] Science, 2013, 340, 1530, (DOI: 10.1126/science.1240365)

метки статьи: #кинетика и катализ, #неорганическая химия, #химическая технология