Aprendendo com a natureza, cientistas do Center for Sustainable Resource Science no Japão e do Korean Basic Science Institute (KBSI) encontraram um catalisador que transforma nitrato em nitrito de forma eficiente, uma reação ambientalmente importante, sem exigir alta temperatura ou acidez, e agora identificamos o mecanismo que torna essa eficiência possível.

O nitrogênio é um elemento importante para vários processos biológicos, mas muitas vezes é necessário convertê-lo em uma forma ou outra, em um sistema conhecido como ciclo do nitrogênio. Na natureza, isso geralmente é realizado por bactérias e outros microorganismos, que pode realizar a façanha em temperatura ambiente e condições de pH amenas. Recentemente, o uso excessivo de fertilizantes de nitrogênio em resposta ao crescimento populacional tem levado a uma grave poluição da água devido à presença de nitrato (NO ₃ ^- ) íons em fertilizantes. O escoamento da agricultura pode levar à poluição por nitrato da água potável, e a eutrofização de lagos e pântanos, levando ao crescimento de algas. Como resultado, tornou-se necessário reduzir a emissão de íons nitrato para o meio ambiente.

A limpeza de águas residuais usando micróbios é realizada atualmente, mas nem sempre é possível fazer isso, já que a concentração de nitrato pode impossibilitar a sobrevivência dos microrganismos. Tem havido tentativas de criar catalisadores que possam realizar a mesma tarefa feita pelas bactérias. Infelizmente, devido à alta estabilidade do nitrato, esses caros catalisadores de metal raro requerem alta temperatura, fotólise ultravioleta, ou ambientes fortemente ácidos. Portanto, o desenvolvimento de catalisadores que pudessem realizar a transformação de maneira econômica à temperatura ambiente era um dos principais objetivos da pesquisa.

Recentemente, uma equipe internacional liderada por Ryuhei Nakamura do RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS), decidiu tentar usar o mesmo método da nitrato redutase, uma enzima usada por microorganismos, e conseguiu sintetizar quimicamente o sulfeto de molibdênio contendo oxo, que foi capaz de catalisar nitrato em nitrito em um eletrólito aquoso em pH neutro.

Agora, em pesquisa publicada em Angewandte Chemie International Edition , eles usaram uma variedade de métodos para determinar se seu catalisador contém um sítio ativo de reação semelhante ao que é encontrado na redutase de nitrato natural. Eles identificaram o sulfeto de molibdênio contendo oxo como um candidato promissor, e sabia que funcionava melhor do que outros catalisadores, mas eles não sabiam por quê. Eles passaram a estudá-lo observando espécies químicas em sua superfície na presença de um agente redutor - neste caso íons ditionita - usando espectroscopia molecular (espectroscopia de ressonância paramagnética de elétrons (EPR) e espectroscopia Raman. "Nossa hipótese, "diz o primeiro autor Yamei Li, que fez o trabalho na RIKEN CSRS e está atualmente no Instituto de Tecnologia de Tóquio, "que os catalisadores de sulfeto de oxo-molibdênio podem ter sítios ativos semelhantes aos das enzimas. Para testar essa hipótese, tentamos rastrear como as espécies químicas na superfície do catalisador mudam usando espectroscopia molecular. "

Sua principal descoberta foi que o molibdênio pentavalente com ligantes de oxigênio - um dos produtos intermediários - funcionou como uma espécie ativa que acelerou a reação, e mostraram que esta espécie ativa possui uma estrutura semelhante ao núcleo ativo da nitrato redutase natural. Seus estudos usando espectroscopia EPR confirmaram isso, descobrindo que o oxigênio e o enxofre, ligantes do molibdênio também desempenham um papel importante na produção eficiente da espécie de oxo-molibdênio pentavalente na superfície do catalisador.

De acordo com Nakamura, "Este resultado mostra que os íons nitrato podem ser desintoxicados em um ambiente ameno sem depender de catalisadores de metais raros. Esperamos que isso possibilite o desenvolvimento de uma nova tecnologia para sintetizar amônia a partir do líquido residual."

Os resultados desta pesquisa contribuíram para o Objetivo 7:"Energia limpa e acessível" e o Objetivo 14:"Vida abaixo da água" dos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) definidos pelas Nações Unidas.