Apprendre de la nature, des scientifiques du Center for Sustainable Resource Science au Japon et du Korean Basic Science Institute (KBSI) ont trouvé un catalyseur qui transforme efficacement le nitrate en nitrite - une réaction importante pour l'environnement - sans nécessiter de température ou d'acidité élevée, et ont maintenant identifié le mécanisme qui rend cette efficacité possible.

L'azote est un élément important pour divers processus biologiques, mais il est souvent nécessaire de le convertir sous une forme ou une autre, dans un système connu sous le nom de cycle de l'azote. Dans la nature, ceci est généralement effectué par des bactéries et d'autres micro-organismes, qui peut réaliser l'exploit à température ambiante et dans des conditions de pH doux. Récemment, l'utilisation excessive d'engrais azotés en réponse à la croissance démographique a conduit à une grave pollution de l'eau due à la présence de nitrate (NO 3 ^- ) dans les engrais. Le ruissellement agricole peut entraîner une pollution par les nitrates de l'eau potable, et l'eutrophisation des lacs et des marais, conduisant à la croissance des algues. Par conséquent, il est devenu nécessaire de réduire les émissions d'ions nitrate dans l'environnement.

Le nettoyage des eaux usées à l'aide de microbes est actuellement effectué, mais il n'est pas toujours possible de le faire, car la concentration de nitrate peut empêcher la survie des micro-organismes. Il y a eu des tentatives pour créer des catalyseurs qui peuvent effectuer la même tâche effectuée par les bactéries. Malheureusement, en raison de la grande stabilité du nitrate, ces catalyseurs de métaux rares coûteux nécessitent une température élevée, photolyse ultraviolette, ou environnements fortement acides. Ainsi, le développement de catalyseurs capables d'effectuer à moindre coût la transformation à température ambiante était un objectif majeur de la recherche.

Récemment, une équipe internationale dirigée par Ryuhei Nakamura du RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS), décidé d'essayer d'utiliser la même méthode que la nitrate réductase, une enzyme utilisée par les micro-organismes, et a réussi à synthétiser chimiquement du sulfure de molybdène contenant de l'oxo, capable de catalyser le nitrate en nitrite dans un électrolyte aqueux à pH neutre.

Maintenant, dans une recherche publiée dans Angewandte Chemie Édition Internationale , ils ont utilisé diverses méthodes pour déterminer que leur catalyseur contient un site actif de réaction similaire à celui que l'on trouve dans la nitrate réductase naturelle. Ils avaient identifié le sulfure de molybdène contenant de l'oxo comme un candidat prometteur, et savait qu'il fonctionnait mieux que d'autres catalyseurs, mais ils ne savaient pas pourquoi. Ils l'ont ensuite étudié en observant des espèces chimiques à sa surface en présence d'un agent réducteur - en l'occurrence des ions dithionite - à l'aide de la spectroscopie moléculaire (spectroscopie par résonance paramagnétique électronique (RPE) et spectroscopie Raman. " dit le premier auteur Yamei Li, qui a fait le travail à RIKEN CSRS et est actuellement à l'Institut de technologie de Tokyo, "que les catalyseurs de sulfure d'oxo-molybdène peuvent avoir des sites actifs similaires à ceux des enzymes. Pour tester cette hypothèse, nous avons tenté de suivre l'évolution des espèces chimiques à la surface du catalyseur à l'aide de la spectroscopie moléculaire."

Leur principale découverte était que le molybdène pentavalent avec des ligands oxygène - l'un des produits intermédiaires - fonctionnait comme une espèce active qui accélérait la réaction, et a montré que cette espèce active a une structure similaire au noyau actif de la nitrate réductase naturelle. Leurs études utilisant la spectroscopie EPR l'ont confirmé, constatant que l'oxygène et le soufre, les ligands du molybdène jouent également un rôle important dans la production efficace des espèces oxo-molybdène pentavalentes sur la surface du catalyseur.

Selon Nakamura, "Ce résultat montre que les ions nitrate peuvent être détoxifiés dans un environnement doux sans dépendre de catalyseurs de métaux rares. Nous espérons que cela rendra possible le développement d'une nouvelle technologie pour synthétiser l'ammoniac à partir de déchets liquides."

Les résultats de cette recherche ont contribué à l'Objectif 7 :« Énergie abordable et propre » et à l'Objectif 14 :« La vie sous l'eau » des Objectifs de développement durable (ODD) fixés par les Nations Unies.