Imparare dalla natura, gli scienziati del Center for Sustainable Resource Science in Giappone e del Korean Basic Science Institute (KBSI) hanno trovato un catalizzatore che trasforma in modo efficiente il nitrato in nitrito, una reazione importante per l'ambiente, senza richiedere alte temperature o acidità, e ora hanno identificato il meccanismo che rende possibile questa efficienza.

L'azoto è un elemento importante per vari processi biologici, ma spesso è necessario convertirlo in una forma o nell'altra, in un sistema noto come ciclo dell'azoto. In natura, questo è solitamente effettuato da batteri e altri microrganismi, che può eseguire l'impresa a temperatura ambiente e condizioni di pH mite. Recentemente, l'uso eccessivo di fertilizzanti azotati in risposta alla crescita demografica ha portato a un grave inquinamento delle acque dovuto alla presenza di nitrati (NO ₃ ^- ) ioni nei fertilizzanti. Il deflusso dall'agricoltura può portare all'inquinamento da nitrati dell'acqua potabile, e l'eutrofizzazione di laghi e paludi, portando alla crescita delle alghe. Di conseguenza, si è reso necessario ridurre l'emissione di ioni nitrato nell'ambiente.

Attualmente viene eseguita la pulizia delle acque reflue mediante microbi, ma non sempre è possibile farlo, poiché la concentrazione di nitrati può rendere impossibile la sopravvivenza dei microrganismi. Ci sono stati tentativi di creare catalizzatori in grado di svolgere lo stesso compito svolto dai batteri. Sfortunatamente, grazie all'elevata stabilità del nitrato, questi costosi catalizzatori di metalli rari richiedono alte temperature, fotolisi ultravioletta, o ambienti fortemente acidi. Pertanto, lo sviluppo di catalizzatori in grado di eseguire la trasformazione a temperatura ambiente in modo economico è stato uno degli obiettivi principali della ricerca.

Recentemente, un team internazionale guidato da Ryuhei Nakamura del RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS), deciso di provare a utilizzare lo stesso metodo della nitrato reduttasi, un enzima utilizzato dai microrganismi, ed è riuscito a sintetizzare chimicamente solfuro di molibdeno contenente osso, che era in grado di catalizzare il nitrato in nitrito in un elettrolita acquoso a pH neutro.

Ora, in una ricerca pubblicata in Angewandte Chemie Edizione Internazionale , hanno usato una varietà di metodi per determinare che il loro catalizzatore contiene un sito attivo di reazione simile a quello che si trova nella nitrato reduttasi naturale. Avevano identificato il solfuro di molibdeno contenente osso come un candidato promettente, e sapeva che funzionava meglio di altri catalizzatori, ma non sapevano perché. Hanno continuato a studiarlo osservando specie chimiche sulla sua superficie in presenza di un agente riducente, in questo caso ioni ditionite, utilizzando la spettroscopia molecolare (spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR) e spettroscopia Raman. "Abbiamo ipotizzato, " dice il primo autore Yamei Li, che ha svolto il lavoro presso RIKEN CSRS ed è attualmente al Tokyo Institute of Technology, "che i catalizzatori di solfuro di osso-molibdeno possono avere siti attivi simili a quelli degli enzimi. Per verificare questa ipotesi, abbiamo tentato di tracciare come cambiano le specie chimiche sulla superficie del catalizzatore usando la spettroscopia molecolare".

La loro scoperta principale è stata che il molibdeno pentavalente con ligandi dell'ossigeno, uno dei prodotti intermedi, ha funzionato come una specie attiva che ha accelerato la reazione, e ha mostrato che questa specie attiva ha una struttura simile al nucleo attivo della nitrato reduttasi naturale. I loro studi utilizzando la spettroscopia EPR lo hanno confermato, trovando che l'ossigeno e lo zolfo, anche i ligandi del molibdeno svolgono un ruolo importante nella produzione efficiente delle specie oxo-molibdeno pentavalente sulla superficie del catalizzatore.

Secondo Nakamura, "Questo risultato mostra che gli ioni nitrato possono essere disintossicati in un ambiente mite senza dipendere da catalizzatori metallici rari. Speriamo che ciò renda possibile lo sviluppo di una nuova tecnologia per sintetizzare l'ammoniaca dai liquidi di scarto".

I risultati di questa ricerca hanno dato un contributo all'Obiettivo 7:"Energia pulita e accessibile" e all'Obiettivo 14:"Vita sott'acqua" degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile (SDGs) fissati dalle Nazioni Unite.