Denník N

Pripravili batériu, ktorá vyrába amoniak – látku dôležitú pre priemysel

Enzymatická batéria s dvoma druhmi enzýmov, ktorá okrem energie vyrába aj amoniak. Foto – Ross Milton
Enzymatická batéria s dvoma druhmi enzýmov, ktorá okrem energie vyrába aj amoniak. Foto – Ross Milton

Proces produkuje amoniak a namiesto spotreby energie si ju vyrába sám.

Dusíka máme na Zemi skutočne dostatok: iba vo vzduchu sa ho nachádza viac ako 78 percent.

Obsahujú ho aj bunky rastlín, húb i živočíchov. Potrebujeme ho na výstavbu DNA či bielkovín. Jeho priame využitie zo vzduchu je biologicky veľmi limitované – plynná forma dusíka je totiž stabilná, nereaktívna, a preto nepoužiteľná.

Haber-Boschov proces slúži na priemyselnú výrobu amoniaku (po starom čpavok, NH3) – zlúčeniny, ktorá dostáva vzdušný dusík do použiteľnej formy.

Na praktickejšie pochopenie dôležitosti tohto procesu sa môžeme pozrieť na výskyt dusíka v ľudskom tele. Každý z nás má v sebe okolo 3,2 percenta dusíka. Polovica až osemdesiat percent všetkých týchto atómov prešla Haber-Boschovým procesom výroby amoniaku.

Významný proces v priemysle

Uvedený proces je jedným z najvýznamnejších industriálnych chemických procesov, pretože umožňuje výrobu umelých hnojív, čím prispieva k našej schopnosti nasýtiť ľudí. Je to proces s najdramatickejším vplyvom na ľudstvo a celú Zem.

Proces predstavuje chemickú reakciu plynného vodíka s dusíkom za vysokej teploty (okolo 500 °C) a tlaku (20 megapascalov), pričom do zmesi je potrebné pridať katalyzátor obsahujúci kov, najčastejšie železo.

Ročne sa takto pripraví približne 450 milliónov ton dusíkatých hnojív. Toto enormné číslo predstavuje okrem pokroku aj energetický problém – v dnešnej dobe totiž táto technológia spotrebuje 1 percento celosvetových zdrojov energie a vyprodukuje 3 percentá celosvetových emisií oxidu uhličitého (CO2).

Vývoj alternatívnych stratégií prípravy amoniaku je preto horúcou témou. Jedným z riešení je využitie enzýmov, ktoré na svoju činnosť nepotrebujú vysoké teploty ani tlak a fungujú vo vode bez potreby akéhokoľvek organického rozpúšťadla.

Najnovším pokrokom týchto snáh je štúdia amerických biochemikov, ktorí na prípravu amoniaku využili enzýmy. Tento proces dokonca namiesto spotreby energiu vyrába. Svoje výsledky uverejnili v prestížnom chemickom časopise Angewandte Chemie Int. Ed.

Enzýmy a elektródy

Počas výskumu vedci využili enzýmy s názvom nitrogenázy. Ich prirodzenou funkciou je fixácia vzdušného dusíka počas tvorby amoniaku. Ide o jediné enzýmy v prírode, ktoré to dokážu. Tento proces využívajú niektoré sinice, ale aj baktérie, ktoré žijú v symbióze s rastlinami čeľade bôbovitých, čo je napríklad fazuľa.

S využitím týchto enzýmov pripravili batériu, ktorá vyrába energiu a zároveň amoniak. Ako to funguje?

Na katódu (záporne nabitú elektródu) vedci pripojili enzýmy nitrogenázy. Tie vo svojich aktívnych miestach katalyzujú redukciu plynného dusíka, na čo potrebujú elektróny, ktoré pochádzajú práve z katódy.

Na opačnej strane batérie, teda na anóde (kladne nabitej elektróde), je pripevnený iný druh enzýmov. Ide o takzvané hydrogenázy, ktoré rozkladajú molekuly plynného vodíka na elektróny a protóny.

Enzymatická batéria vyrába energiu a amoniak, dôležitú zlúčeninu potrebnú pre prípravu umelých hnojív. Foto - Ross Milton
Enzymatická batéria vyrába energiu a amoniak – dôležitú zlúčeninu potrebnú na prípravu umelých hnojív. Foto – Ross Milton

Prepojením týchto dvoch elektród sa systém uzavrie. Na anóde dochádza k oxidácii vodíka, čoho výsledkom sú elektróny. Tie sa presúvajú na anódu, kde slúžia na redukciu dusíka. Ten sa spojí s troma protónmi (H+) prechádzajúcimi cez polopriepustnú membránu a vznikne amoniak, NH3.

Veľké obmedzenia

V podstate ide o proces veľmi podobný tomu Haber-Boschovmu, no nepotrebuje vysoký tlak, teplotu, a teda žiaden zdroj energie. „Ide o spontánny proces, takže namiesto toho, aby sme doň museli dodávať energiu, si ju dokáže vyrobiť sám,“ vysvetlila v univerzitnej správe Shelley Minteerová, vedúca výskumu.

Batéria opísaná Minteerovej tímom predstavuje prototyp, ktorý má od skutočného priemyselného využitia ešte ďaleko. Na prevádzku síce nepotrebuje energiu, no vyžaduje adenozíntrifosfát (ATP, zdroj energie v bunkách).

Navyše proces zatiaľ funguje len v malej, laboratórnej miere a na jeho použitie v priemysle bude potrebné obísť potrebu adenozíntrifosfátu – buď zmenou použitých enzýmov, alebo pridaním dodatočného syntetického kroku.

Aj napriek početným obmedzeniam ide o významný vedecký úspech, ktorý sa pokúša pomenovať problémy spojené s priemyselnou výrobou chemikálií obsahujúcich dusík, od ktorých je závislé celé ľudstvo.

Dostupné z doi: 10.1002/anie.201612500.

🗳️ Ak chcete podporiť našu prácu pred druhým kolom volieb aj nad rámec predplatného, môžete to urobiť aj darom.🗳️

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na [email protected].

Technológie

Veda

Teraz najčítanejšie