De ce fierul, și nu cromul, transformă azotul în amoniac sub lumină solară
Cercetătorii de la Universitatea din Viena și Universitatea Tehnică din Viena au explicat de ce două materiale aproape identice au un comportament chimic complet diferit atunci când sunt folosite ca fotocatalizatori pentru producerea amoniacului. Studiul, publicat în revista ACS Energy Letters, arată că proprietățile magnetice ale atomilor de metal, nu numărul de electroni, sunt cele care decid dacă reacția are loc.
Amoniacul este esențial pentru îngrășămintele care hrănesc o mare parte a populației lumii, însă producția sa industrială din azot și hidrogen necesită temperaturi și presiuni ridicate, ceea ce o face extrem de consumatoare de energie. De aceea, cercetătorii caută materiale care să folosească energia luminii solare pentru a transforma azotul molecular în amoniac, iar rețelele metal-organice sunt considerate candidate promițătoare.
Echipa a studiat o structură numită MOF MIL-101, în care nodurile conțin câte trei atomi de metal dispuși în triunghi în jurul unui atom central de oxigen. Structura poate fi construită cu diferite metale fără ca scheletul să se schimbe. Cu atomi de fier, materialul produce amoniac sub lumină; cu atomi de crom, reacția nu mai are loc.
Frustrare magnetică în triunghiul de fier
Explicația nu stă în numărul de electroni, cum se presupunea inițial, ci în orientarea magnetică a atomilor, așa-numitul spin. În această structură cristalină, atomii vecini preferă spinuri opuse: unul orientat în sus, celălalt în jos. Într-un triunghi de trei atomi de fier, primii doi pot adopta direcții magnetice opuse, dar al treilea nu mai poate îndeplini această cerință.
Fenomenul se numește „frustrare magnetică”. Cercetătorii îl compară cu trei persoane așezate la o masă care ar vrea toate să se privească direct în ochi: primele două pot, dar toate trei simultan nu pot.
Un triunghi de atomi de crom se comportă fundamental diferit. Doi dintre atomi se cuplează mult mai puternic și formează un fel de pereche, iar al treilea se cuplează doar slab cu ei, ca și cum două persoane s-ar întoarce una spre cealaltă și ar vorbi direct, în timp ce a treia ar sta deoparte.
Legătura cu azotul, decisivă pentru cataliză
Aceste cuplaje magnetice diferite sunt strâns legate de cât de puternic se leagă azotul de atomii de metal din exterior. În cazul fierului cu frustrare magnetică, legătura dintre fier și azot are o intensitate moderată: suficient de puternică pentru a reține azotul și a-l transforma în amoniac, dar suficient de slabă pentru a-l elibera ulterior. Rezultatul este aproape optim, astfel încât se formează o moleculă de amoniac după alta.
Atomii de crom leagă însă azotul mult mai puternic. Azotul nu poate fi eliberat destul de repede, locul activ rămâne ocupat, iar structura nu mai poate reține alt azot. Din acest motiv, materialul cu crom nu este potrivit ca și catalizator.
Rezultatele arată că, deși structura cristalină este altfel identică, alegerea metalului poate determina modul în care interacționează spinii. Cercetătorii descriu această caracteristică drept o „amprentă magnetică” importantă pentru înțelegerea funcționării materialelor ca și catalizatori și consideră că observarea modului în care atomii de metal comunică magnetic la nivelul unui nod cristalin reprezintă un pas important spre o producție de amoniac cu consum redus de energie.
