Các nhà hóa học Pháp đã tìm ra một cách mới để làm đứt liên kết ba của N2 – một trong những liên kết mạnh nhất - bằng một nguyên tử đơn.
Các nguyên tử Tantalum có thể chia nhỏ N2 mà không cần trợ giúp
Việc phá rời N2 thường đòi hỏi gấp bội sự tập trung kim loại – dù là qua bề mặt các nguyên tử sắt thường được dùng trong công nghiệp, hay cụm liên kết tới 20 kim loại trong các enzyme mà thiên nhiên triển khai. Tuy vậy Jean-Marie Basset, Elsje Alessandra Quadrelli và các đồng sự tại trường đại học Lyon ở Pháp đã nhận ra rằng các nguyên tử Tantalum đơn lẻ được tách ra trên bề mặt silica cũng có thể thực hiện được quá trình này. Hơn nữa, chúng còn dùng một cơ chế hoàn toàn mới chưa từng được biết đến.
Việc tách N2 không chỉ là một màn trình diễn thử nghiệm sức mạnh, nó còn là một quá trình thiết yếu trong công nghiệp và sinh học. Sự sống sử dụng ammonia (NH3) làm nguồn cung cấp nitrogen từ quá trình tách dinitrogen (N2). Một số vi khuẩn có enzyme để làm điều này, và ammonia được sản xuất mỗi năm lên đến số lượng 100 triệu tấn qua phương pháp Haber-Bosh để dùng trong phân bón một cách rộng rãi.
Hệ tantalum hydride không hẳn là cách chia cắt N2 đầu tiên dùng một nguyên tử kim loại đơn. Năm 2003, Richard Schrock đã phát triển một phức chất molybdenum có thể làm việc đó. Tuy vậy, trong khi tantalum hydride chỉ đòi hỏi đốt nóng với áp suất 1:1 atm của nitrogen và hydrogen, hệ thống Schrock đòi hỏi “sự ứng dụng luân phiên chính xác của các nguồn proton và electron – vì thế cơ chế hoàn toàn khác biệt”, Quadrelli nói.
Một khác biệt then chốt khác là phương pháp tantalum hydride không thực sự thải ra ammonia – hai nguyên tử nitrogen vẫn tồn tại tách biệt trong liên kết với kim loại. Đây là điều mà nhóm Lyon dự trù sẽ tìm hiểu tiếp. “Chúng tôi dự định nghiên cứu theo hai hướng”. Quadrelli phát biểu với Chemistry World. “Chúng tôi sẽ đi sâu vào vấn đề để tìm hiểu thật chính xác quá trình này. Chúng tôi cũng sẽ đi sâu hơn theo hướng ứng dụng và sẽ nghiên cứu cơ chế này để làm một chất xúc tác cho quá trình hợp nhất nitrogen trong các chất nền hữu cơ – biến đổi alkane thành amine. Và tất nhiên chúng tôi sẽ hướng đến việc sản xuất ammonia. Các bạn không thể biết trước quá trình này sẽ đem đến cho chúng ta điều gì”.
Các nguyên tử Tantalum có thể chia nhỏ N2 mà không cần trợ giúp
Việc phá rời N2 thường đòi hỏi gấp bội sự tập trung kim loại – dù là qua bề mặt các nguyên tử sắt thường được dùng trong công nghiệp, hay cụm liên kết tới 20 kim loại trong các enzyme mà thiên nhiên triển khai. Tuy vậy Jean-Marie Basset, Elsje Alessandra Quadrelli và các đồng sự tại trường đại học Lyon ở Pháp đã nhận ra rằng các nguyên tử Tantalum đơn lẻ được tách ra trên bề mặt silica cũng có thể thực hiện được quá trình này. Hơn nữa, chúng còn dùng một cơ chế hoàn toàn mới chưa từng được biết đến.
Việc tách N2 không chỉ là một màn trình diễn thử nghiệm sức mạnh, nó còn là một quá trình thiết yếu trong công nghiệp và sinh học. Sự sống sử dụng ammonia (NH3) làm nguồn cung cấp nitrogen từ quá trình tách dinitrogen (N2). Một số vi khuẩn có enzyme để làm điều này, và ammonia được sản xuất mỗi năm lên đến số lượng 100 triệu tấn qua phương pháp Haber-Bosh để dùng trong phân bón một cách rộng rãi.
Hệ tantalum hydride không hẳn là cách chia cắt N2 đầu tiên dùng một nguyên tử kim loại đơn. Năm 2003, Richard Schrock đã phát triển một phức chất molybdenum có thể làm việc đó. Tuy vậy, trong khi tantalum hydride chỉ đòi hỏi đốt nóng với áp suất 1:1 atm của nitrogen và hydrogen, hệ thống Schrock đòi hỏi “sự ứng dụng luân phiên chính xác của các nguồn proton và electron – vì thế cơ chế hoàn toàn khác biệt”, Quadrelli nói.
Một khác biệt then chốt khác là phương pháp tantalum hydride không thực sự thải ra ammonia – hai nguyên tử nitrogen vẫn tồn tại tách biệt trong liên kết với kim loại. Đây là điều mà nhóm Lyon dự trù sẽ tìm hiểu tiếp. “Chúng tôi dự định nghiên cứu theo hai hướng”. Quadrelli phát biểu với Chemistry World. “Chúng tôi sẽ đi sâu vào vấn đề để tìm hiểu thật chính xác quá trình này. Chúng tôi cũng sẽ đi sâu hơn theo hướng ứng dụng và sẽ nghiên cứu cơ chế này để làm một chất xúc tác cho quá trình hợp nhất nitrogen trong các chất nền hữu cơ – biến đổi alkane thành amine. Và tất nhiên chúng tôi sẽ hướng đến việc sản xuất ammonia. Các bạn không thể biết trước quá trình này sẽ đem đến cho chúng ta điều gì”.
