ייצור אמוניה מהחנקן שבאטמוספירה נעשה פשוט יותר בזכות זרז חדשני

חוקרים ניצלו את הידע שלהם בנוגע לננו-חומרים דו-ממדיים והצליחו לפתח שיטה ‘ירוקה לסינתזה של אמוניה בקנה מידה קטן

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
חוקרים מאוניברסיטת רייס (Rice) הצליחו לפתח שיטה אי-אורגנית לסינתזה של אמוניה, שיטה שהיא גם ידידותית לסביבה וגם מאפשרת ייצור של הכימיקל החשוב לפי דרישה ובתנאים מתונים.

החוקר הראשי, Jun Lou, ניצל את התכונות של גביש דו-מימדי שהוא מכיר היטב – מוליבדן דיסולפיד – והפך אותו לזרז על ידי גריעה של אטומי גופרית ממבנה הסריג של הגביש תוך החלפת המתכת מוליבדן לקובלט. החלפה זו אפשרה לחומר לחקות את התהליך האורגני שמשתמשים בו החיידקים בטבע על מנת להמיר חנקן אטמוספירי לאמוניה בתוככי אורגניזמים, לרבות בבני אדם, המשתמשים באמוניה לשם סיוע בתפקוד הכבד. התהליך האי-אורגני יאפשר ייצור אמוניה בכל מקום בו הוא נדרש בתעשייה בתור תוסף בקנה מידה קטן, כאשר אמוניה עצמה מיוצרת בתעשייה הכימית במיליוני טון בכל שנה באמצעות התהליך המוכר מסוג הבר-בוש (Haber-Bosch). המחקר פורסם זה מכבר בכתב העת המדעי Journal of the American Chemical Society. תהליך הבר-בוש מייצר כמות ניכרת של פחמן דו-חמצני וצורך אנרגיה רבה,” אומר אחד מהחוקרים. “לעומת זאת, התהליך שלנו מנצל חשמל על מנת ליזום את פעילות הזרז. את החשמל הזה ניתן לקבל מתוך מקורות אנרגיה מתחדשים, כגון אור השמש או הרוח”.

החוקרים כבר ידעו כי מוליבדן דיסולפיד נקשר בחוזקה ובקלות לחנקן אטמוספירי (N2), מולקולה הנמצאת בטבע ומורכבת משני אטומי חנקן הקשורים בחוזקה ומהווה קרוב לשמונים אחוזים מאטמוספירת כדור הארץ. הדמיות ממוחשבות הראו כי החלפה של מספר אטומי מוליבדן חשופים על פני החומר באטומי קובלט תגרום להגברת היכולת של התרכובת לזרז את ההמרה של חנקן אטמוספירי לאמוניה. ניסויים מעשיים שנערכו במעבדה הוכיחו כי ההדמיות אכן מדויקות.

החוקרים השיגו דגימות של החומר הננומטרי על ידי הצמחת גבישי מוליבדן דיסולפיד פגומים על גבי סיבי פחמן תוך הוספה של קובלט (הגבישים הם למעשה מבנה דו-מימדי, אולם הם נראים כמישור של אטומי מוליבדן עם שכבות של אטומי גופרית מתחת ומעל למישור זה). כאשר מעבירים זרם דרך החומר הזה, התרכובת מצליחה לייצר יותר מעשרה גרמים של אמוניה בכל שעה תוך שימוש בקילוגרם אחד של הזרז.

“קנה המידה אינו בר-השוואה ואינו תחרותי יחסית לתהליכים תעשייתיים מוכרים היטב, אולם הוא יכול לשמש כחלופה במקרים מסוימים,” מסביר החוקר הראשי. “התהליך שלנו יאפשר ייצור מקומי ומידי של אמוניה במקומות שבהם אין מפעלים מתאימים, ואפילו ביישומי חלל”. החוקרים מסבירים כי אומנם במעבדה נעשה שימוש בחנקן ייעודי לשם כך, אולם ניתן להתאים את התהליך בקלות כך שיוכל לנצל את החנקן המצוי בשפע באוויר.
החוקרים סבורים שחומרי אילוח נוספים, מלבד קובלט, יאפשרו גם הם לזרז כימיקלים אחרים, נושא שלם למחקר עתידי בתחום זה. “סברנו שנקרתה בדרכנו הזדמנות פז לקחת משהו מוכר לנו מאוד ולנסות לחקות את מה שמבצע הטבע מזה מיליארדי שנים,” החוקר מסביר. “אם נצליח לתכנן מגוב מתאים, התהליך שלנו יוכל לבצע את תפקידו החשוב ללא הפרעות וביעילות”.

תקציר המאמר

הידיעה אודות המחקר