Нанокристаллы (слева) улавливают свет (hv), а затем передают электроны (e-) ферментам нитрогеназы (вверху справа) для преобразования молекулярного азота (N2) в аммиак (NH3). Жертвенная реакция (внизу справа) завершает процесс. Кредит: Альфред Хикс, Национальная лаборатория возобновляемой энергии.
Атмосфера Земли содержит большое количество азота в форме молекулярного азота (N2). Преобразование N2 в аммиак (NH3) имеет решающее значение для производства удобрений, необходимых для сельского хозяйства.
В настоящее время производство аммиака требует 2% мировой энергии и генерирует значительные парниковые газы. В природе фермент нитрогеназа может катализировать выработку аммиака, используя энергию, запасенную в аденозинтрифосфате (АТФ), для проведения реакции.
АТФ — это естественная молекула, которая присутствует во всех формах жизни. Можно заменить АТФ энергией солнечного света для низкоэнергетического процесса, который не производит парниковые газы.
Однако исследователи все еще разрабатывают эти процессы на основе солнечного света.
В исследовании, опубликованном в Журнале Американского химического общества, ученые создали уникальный биогибрид, который связывает нанокристаллы с нитрогеназой. Нанокристаллы используют солнечный свет для передачи заряда ферментам и завершения реакции. Исследование выявило свойства нанокристаллов для связывания с нитрогеназой, что помогло ученым получить новое понимание этой сложной реакции производства NH3.
Этот биогибридный подход использует солнечный свет для запуска энергоемких реакций конверсии, которые могут смягчить сопутствующее производство парниковых газов. Стандартный подход к производству аммиака — процесс Габера-Боша. Этот процесс производит около 150 миллионов метрических тонн (Мт) аммиака в год, но требует большого количества энергии и также производит около 280 Мт углекислого газа (CO2).
Новый процесс использует солнечный свет для катализа производства NH3 без генерации CO2. Это также привлекательный способ производить удобрения NH3 близко к месту их использования, сводя к минимуму выбросы CO2 при доставке на фермы. Чтобы сделать этот процесс реальностью, необходимо понять, как связать солнечный свет с запуском реакции.
Для производства аммиака с использованием солнечного света ученые-исследователи разработали биогибридную систему, состоящую из нанокристаллов и фермента Mo-нитрогеназа. Этот фермент имеет уникальный металлический кластер, называемый FeMo-кофактором, которому требуется восемь электронов и восемь протонов для восстановления N2 до аммиака.
Исследователи использовали эту систему нанокристалл/фермент, чтобы определить, как направить фотогенерированные электроны к кофактору FeMo, и изучить связанный с этим механизм. Чтобы система могла полагаться на свет, наночастица и фермент должны быть химически совместимы и образовывать стабильный реакционный комплекс. В этом исследовании изучалось, как сделать наночастицы, которые связываются с ферментом.
Этот подход дает представление о том, как синтетически настроить нанокристаллы для связывания ферментов и избирательного переноса заряда. Используя этот прогресс, исследователи могут подробно изучить процесс. В замороженном состоянии промежуточные продукты реакции FeMo-кофактора могут быть захвачены и подробно проанализированы с помощью методов электронной парамагнитной резонансной спектроскопии.
Эта техническая основа позволяет исследователям идентифицировать промежуточные продукты реакции, энергии активации стадий реакции и эволюцию кинетической модели реакции восстановления N2.
Дополнительная информация: Gregory E. Vansuch et al, Cryo-annealing of Photoreduced CdS Quantum Dot–Nitrogenase MoFe Protein Complexes Reveals the Kinetic Stability of the E4(2N2H) Intermediate, Журнал Американского химического общества (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c06832
Lauren M. Pellows et al, High Affinity Electrostatic Interactions Support the Formation of CdS Quantum Dot:Nitrogenase MoFe Protein Complexes, Nano Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c03205
Лорен М. Пеллоуз и др., Низкотемпературное улавливание промежуточных продуктов реакции восстановления N2 в комплексах белка MoFe нитрогеназы с квантовыми точками CdS, Журнал химической физики (2023). DOI: 10.1063/5.0170405
Информация о журнале: Nano Letters, Журнал Американского химического общества, Журнал химической физики
Предоставлено Министерством энергетики США
