Ученые смогли превратить атмосферный азот в сырье для лекарств и удобрений

Российские и китайские учёные смогли превратить атмосферный азот в сырьё для лекарств и удобрений. Для этого им понадобились только вода и электричество.

Исследователи из Восточно-Китайского технологического университета открыли новый плазменный метод связывания атмосферного азота водой. Метод уникален своей простотой: он требует только элементарного разрядного устройства, а сама реакция протекает при комнатной температуре.

Всю свою жизнь человек окружён молекулярным азотом, составляющим большую часть воздуха вокруг нас. Одновременно, азот является неотъемлемой частью нашего собственного организма. Биологически активны азот составляет около 3% массы человеческого тела. Он входит в целый ряд биомолекул, включая ключевые белки и ДНК. Без него также невозможна и передача энергии внутри наших клеток.

При этом перевод атмосферного азота в биологически-активное состояние является нетривиальной задачей – в связи с крайней стабильностью молекулы N2. В природе за такой процесс отвечают специальные виды бактерий. А промышленный метод связывания азота появился только в начале XX века. Открытие искусственного метода перевода молекулярного азота в аммиак послужило основанием для присуждения сразу двух Нобелевских премий по химии. В 1918 году её получил химик-теоретик Фриц Габер, описавший реакцию в лабораторных условиях. Тринадцать лет спустя аналогичной награды был удостоен химик-технолог Карл Бош, реализовавший метод Габера в промышленных масштабах.

В СССР первая партия синтетического аммиака была получена «азотфиксацией» в 1928 году. Сегодня ежегодное мировое производство NH3 превышает 180 млн тонн, которые в основном используются для производства азотных удобрений.

Столь масштабное производство не может ни иметь последствий для окружающей среды, становящихся с каждым годом всё заметнее. Высокие температуры и огромные давления, необходимые для процесса Габера-Боша, приводят к колоссальному расходу топлива. Уже сегодня на синтез аммиака уходит до 5% всего добываемого природного газа. Необходимость использовать специальные вещества для ускорения химической реакции – катализаторы – только усугубляет дело.

Понимая эти недостатки, весь XX век химики и инженеры всего мира безуспешно пытались создать экономически эффективную и при этом менее вредную альтернативу методу Габера. Эксперименты продолжились и в новом столетии, однако по сей день дальше лабораторных установок дело не пошло.

20 февраля в научном журнале «Nature Communications», специализирующемся на передовых достижениях в области естественных наук, были обнародованы результаты масштабного проекта трёх университетов КНР. Исследователям удалось создать и теоретически описать новый плазменный метод фиксации азота с помощью обыкновенной воды и без использования катализаторов. В работе, занявшей более трёх лет, приняло участие тринадцать специалистов – включая двух россиян.

Профессор фармацевтического факультета Цзянсийского университета Константин Чингин в 2006 году окончил Московский физико-технический институт (МФТИ). А профессор Восточно-Китайского технологического университета Роман Балабин в декабре 2013 года защитил свою кандидатскую диссертацию в Российском государственном университете нефти и газа (РГУНГ). Россияне познакомились в ноябре 2008 года, когда они оба работали в лаборатории органической химии в Швейцарской высшей технической школе в Цюрихе.

Но «российский след» в статье не исчерпывается двумя россиянами. Её ведущий автор, профессор Хуанвэн Чен, является соучредителем российского филиала китайского научно-исследовательского центра, нацеленного на практическое внедрение плазменных методов в медицинскую практику. Центр был открыт в московском Институте акушерства и гинекологии имени Кулакова (НМИЦ АГП) при участии президента РФ Владимира Путина в 2016 году – как место для исследований в области клинической масс-спектрометрии. Профессор Чен также работал в Цюрихе в 2008 году.

Новизна предложенного в статье метода связывания азота заключается в возможности обойти классический путь фиксации N2 через аммиак или через не менее токсичные оксиды азота, которые также представляют серьезную опасность для экологии. Новая установка производит нитроксил (азанон) и гидроксиламин из атмосферного азота и воды. Первый продукт вообще может оказаться весьма полезным для человека, поскольку он известен своими защитными свойствами. Так авторы показали эффективность нитроксила для защиты нейронных клеток от вредных воздействий.

Гидроксиламин, в свою очередь, уже показал эффективность для синтеза полимеров, в частности капрона. Он также может быть использован для производства лекарств – например, парацетамола. В статье было показано, что и азотные удобрения можно легко получить из обоих химикатов.

«Наш метод представляет особо редкое сочетание необычной химии, которую один из рецензентов статьи метко назвал «экзотической», и перспективного промышленного процесса, чей экономический потенциал очевиден уже сегодня», – отметил профессор Балабин, отвечавший за теоретические расчёты в исследовании, опубликованном под заголовком «Азотфиксация без использования катализаторов с помощью катион-радикалов воды».

Так существующая лабораторная установка позволяет получать химические вещества стоимостью в сотни долларов США на каждый затраченный киловатт-час электроэнергии. Но исследователи не планируют останавливаться на этом.

В их планы входят как эксперименты, направленные на выявление физико-химических особенностей новой реакции, так и постройка более масштабного химическое реактора, способного проводить азотфиксацию в масштабах, приближенных к промышленным. Для максимально быстрой коммерциализации всего проекта, они планируют привлечь к работе и новые силы – включая китайских и российских специалистов.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.