Katalysatorfreie Stickstofffixierung durch Mikrotropfen mittels eines radikalvermittelten Disproportionationsmechanismus unter Umgebungsbedingungen

Die Stickstofffixierung ist entscheidend für die nachhaltige Entwicklung sowohl der menschlichen Gesellschaft als auch der Umwelt. Aufgrund der chemischen Inertheit der N≡N-Bindung erfolgt der traditionelle Haber-Bosch-Prozess unter extremen Bedingungen, was die Stickstofffixierung unter Umgebungsbedingungen äußerst wünschenswert, aber herausfordernd macht. In dieser Studie präsentieren wir ein ultrasonisches Mikrotropfenverfahrens, das die Stickstofffixierung unter Verwendung von Wasser und Luft unter Umgebungsbedingungen in einem rational gestalteten versiegelten Gerät ohne die Notwendigkeit eines Katalysators erreicht. Die erreichte gesamte Stickstofffixierungsrate beträgt 6,99 μmol/h, wobei Ammonium als Reduktionsprodukt und Nitrit und Nitrat als Oxidationsprodukte entstehen, und Wasserstoffperoxid als Nebenprodukt mit einer Rate von 4,29 μmol/h produziert wird. Mit Hilfe der Elektronenparamagnetischen Resonanzspektroskopie (EPR) haben wir reaktive Spezies eingefangen, darunter Wasserstoff, Hydroxyl-, Singulett-Sauerstoff, Superoxid-Anion und NO-Radikale. In Verbindung mit In-situ-Massenspektrometrie (MS) und Isotopenmarkierung bestätigten wir die Anwesenheit von stickstoffhaltigen Intermediaten wie HN═NOH+•, H2N-N(OH)2+•, HNO+ und NH2OH+•. Gestützt durch diese Ergebnisse und theoretische Berechnungen schlagen wir einen radikalvermittelten Stickstoffdisproportionationsmechanismus vor. Simulationen von natürlich vorkommenden kondensierten Mikrotropfen zeigten ebenfalls die Stickstoff-Redox-Fixierung. Dieses mikrotropfenbasierte Verfahren bietet nicht nur einen potenziellen Weg zur Stickstofffixierung in praktischen Anwendungen und nachhaltiger Entwicklung, sondern vertieft auch unser Verständnis des natürlichen Stickstoffkreislaufs.