Subestimado en comparación con sus contrapartes de metales más pesados, el cromo falló durante más de 30 años en convertir el gas nitrógeno en amoníaco, una reacción que implica romper un enlace resistente y hacer seis nuevos. Pero los científicos del Centro de Electrocatálisis Molecular pensaron que el cromo estaba arribapara el trabajo; solo necesitaba un poco de apoyo. En el centro, uno de los Centros de Investigación de la Frontera Energética EFRC del DOE, los científicos crearon una estructura de anillo de 12 átomos llamada ligando que rodea parcialmente el metal y ofrece un entorno estable para elmetal para impulsar la reacción. Al crear esta estructura de ligando, el equipo demostró la importancia del medio ambiente que soporta el cromo. A menudo, una clave para controlar la reactividad del metal, la estructura que rodea al cromo hace que el dinitrógeno normalmente no reactivo se vuelva más reactivo cuando se une almetal.
"Esta investigación requirió la sinergia de los esfuerzos experimentales y computacionales en un EFRC", dijo el Dr. Michael Mock, líder del estudio en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE. "Estudiar esta reacción desafiante se ha beneficiado de los múltiples años de financiación que un EFRC permite. "Los EFRC están financiados por la Oficina de Ciencias de la Energía Básica en la Oficina de Ciencia del DOE.
Por qué es importante
La producción de amoníaco para fertilizantes consume grandes cantidades de energía, un problema que este trabajo puede ayudar algún día a resolver. Sin embargo, este estudio se centra en otro desafío importante: almacenar energía eólica y solar intermitente. Los paneles solares y las turbinas eólicas producen electrones que fluyena lo largo de las líneas eléctricas para energizar los electrodomésticos alrededor de nuestros hogares. Pero, los niveles de energía solar caen cuando las nubes entran. ¿Qué pasaría si esos electrones pudieran almacenarse dentro de un enlace químico, como una opción de almacenamiento de alta densidad de energía? Este estudio, que se complementa con dosinformes anteriores centrados en la comprensión de la reactividad del dinitrógeno con cromo, algún día podrían conducir al desarrollo de un sistema con este metal común como catalizador de trabajo duro.
"Esta investigación muestra lo importante que es mover seis electrones y seis protones en el orden correcto", dijo el Dr. Roger Rousseau, quien dirigió los estudios computacionales. "Es algo así como criar gatos, y gatos muy difíciles en eso."
Métodos
Existe una larga tradición de convertir el dinitrógeno N2 en amoníaco NH3 utilizando catalizadores moleculares complejos, materiales que reducen los obstáculos para que ocurra la reacción y no se consuman en el proceso. De los metales estudiados en la columna conocidacomo metales de transición del grupo 6, el cromo respaldado por ligandos de fósforo no funcionó. De hecho, los documentos desde 1970 hasta la actualidad informaron fallas en el uso del cromo incluso en un entorno que se creía que funcionaba.
Sin embargo, Mock y su equipo se centraron en el efecto estabilizador de los átomos de fósforo de un ligando de 12 miembros que rodeaba parcialmente el cromo metálico. Cada cuarto átomo en el anillo es un átomo de fósforo que forma un enlace con el átomo de cromo.los enlaces químicos formados con tres átomos de fósforo del anillo grande junto con dos átomos donantes de fósforo adicionales de un segundo ligando hacen que el átomo de cromo sea muy rico en electrones, lo que puede unir el dinitrógeno. Una vez unido, el triple enlace de dinitrógeno se debilita por coordinación almetal.
El equipo demostró que el entorno correcto mejora la capacidad del cromo para unirse y activar el dinitrógeno. De hecho, la molécula de dinitrógeno en este caso está más activada que en complejos similares con los metales más pesados, el molibdeno y el tungsteno, que tienen propiedades similares al cromo.
Sin embargo, romper el triple enlace de dinitrógeno sigue siendo una tarea delicada.
El equipo descubrió que era crucial administrar la cantidad de átomos de fósforo y la capacidad de donar electrones de estos átomos. El equipo realizó las reacciones con ácido a -50 ° C para que ciertos productos intermedios que contienen enlaces nitrógeno-hidrógeno no cayeranaparte. En estas reacciones, los iones de hidrógeno del ácido que rodea el complejo formaron solo una pequeña cantidad de amoníaco. Mostraron que agregar ácido causaba que los protones favorecieran la unión con el metal, una conexión no deseada. Optimización adicional del complejo de cromo y las condicionesse requiere para controlar la formación de los enlaces de nitrógeno-hidrógeno deseados.
¿Qué sigue?
La reacción todavía tiene secretos que revelar. El equipo está cavando en dos de ellos. Primero, ¿cómo se forman los anillos de 12 miembros que soportan el cromo? En los experimentos, los anillos se autoensamblan alrededor del cromo. ¿Qué factores dictan?esa formación? Además, ¿cómo se pueden controlar los protones para evitar que se unan al cromo rico en electrones y formen enlaces adicionales con nitrógeno? Responder estas preguntas podría conducir a aprender cómo controlar el entorno de la reacción y conducir a un catalizador que sea rápido, eficiente y duradero, para convertir nitrógeno en amoníaco.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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