Урановый катализатор превращает атмосферный азот в аммиак

Предложенные каталитические циклы для урановой системы ^DMBSTren–N₂. Автор: Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01867-z

Аммиак (NH₃) жизненно важен для сельского хозяйства, так как является основой удобрений, необходимых для обеспечения продовольствием населения Земли. В настоящее время аммиак в основном производится по процессу Габера—Боша, который превращает газообразный азот (N₂) из воздуха в аммиак. Проблема в том, что этот процесс требует огромных затрат энергии и сопровождается значительными выбросами парниковых газов.

Учёные давно ищут более эффективные и экологически чистые способы производства аммиака. В природе это эффективно делают ферменты под названием нитрогеназы, но воспроизведение этих биологических процессов в промышленных масштабах оказалось сложной задачей.

«Все молекулярные катализаторы, разработанные до сих пор, обычно присоединяют молекулы азота — состоящие из двух связанных атомов азота — к одному металлическому центру в линейной, "торцевой" конфигурации. Это означает, что одна молекула азота связывается только с одним металлом через один из своих двух атомов», — объясняет профессор Маринелла Маццанти из EPFL.

Вдохновение природой

Теперь команда под руководством Маццанти разработала первый молекулярный урановый катализатор, способный связывать молекулярный азот в «боковой» конфигурации, аналогичной природной, и преобразовывать его в аммиак.

Исследование, опубликованное в Nature Chemistry, раскрывает новый каталитический путь, объединяющий биологическую эффективность и промышленную осуществимость, открывая двери для более устойчивых методов производства аммиака.

Учёные создали специальную молекулу, используя уран в сочетании с триамидоаминовым лигандом, получив молекулярный комплекс, способный удерживать молекулярный азот (N₂) в боковой конфигурации.

Затем они постепенно восстанавливали азот, добавляя электроны шаг за шагом, разрывая прочную связь между двумя атомами азота.

Новый подход к производству аммиака

Эксперименты показали, что урановый комплекс может работать циклически, эффективно превращая азот в аммиак многократно — до 8,8 эквивалентов аммиака на один катализатор. Впервые продемонстрировано, что «боковое» связывание азота — вероятный механизм работы природных ферментов — может стать жизнеспособным путём для производства аммиака.

Это открытие даёт ключевое понимание химии азота и показывает, что урановые системы могут предложить новые перспективы для технологий будущего.

Дополнительная информация: Батов М.С. и др. Каталитическое и стехиометрическое ступенчатое превращение боково-связанного диазота в аммиак, опосредованное урановым комплексом. Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01867-z

Источник: École Polytechnique Fédérale de Lausanne