Kombinerer sollys og spildevandsnitrat for at gøre verdens nummer 2 kemikalie

Ingeniører ved University of Illinois Chicago har skabt en soldrevet elektrokemisk reaktion, der ikke kun bruger spildevand til at fremstille ammoniak – det næstmest producerede kemikalie i verden – men også opnår en sol-til-brændstof-effektivitet, der er 10 gange bedre end enhver anden sammenlignelig teknologi.

Deres resultater er offentliggjort i Energi- og miljøvidenskab , et toptidsskrift for forskning i krydsfeltet mellem energiforsyning og miljøbeskyttelse.

"Denne teknologi og vores metode har et stort potentiale for at tillade on-demand syntese af gødning og kan have en enorm indvirkning på landbrugs- og energisektorerne i udviklede lande og udviklingslande, og om bestræbelser på at reducere drivhusgasser fra fossile brændstoffer, " sagde ledende forsker Meenesh Singh, assisterende professor i kemiteknik ved UIC College of Engineering.

Ammoniak, en kombination af et nitrogenatom og tre hydrogenatomer, er en nøgleforbindelse af gødning og mange fremstillede produkter, som plastik og lægemidler. Nuværende metoder til at fremstille ammoniak ud fra nitrogen kræver enorme mængder varme, dannet ved afbrænding af fossile brændstoffer, at bryde de stærke bindinger mellem nitrogenatomer, så de kan binde sig til brint. Denne århundrede gamle proces producerer en væsentlig del af de globale drivhusgasemissioner, som er drivkraften bag klimaforandringerne.

Tidligere, Singh og hans kolleger udviklede en miljøvenlig metode til at fremstille ammoniak ved at filtrere ren nitrogengas gennem en elektrisk ladet, katalysator-dækket mesh-skærm i en vandbaseret opløsning. Denne reaktion brugte kun en lille mængde fossilt brændstof til at elektrificere skærmen, som nedbryder nitrogenatomer, men det producerede mere brintgas (80 %) end ammoniak (20 %).

Nu, forskerne har forbedret dette koncept og udviklet en ny metode, der bruger nitrat, en af ​​de mest almindelige grundvandsforurenende stoffer, at tilføre nitrogen og sollys for at elektrificere reaktionen. Systemet producerer næsten 100 % ammoniak med næsten ingen hydrogengas-sidereaktioner. Reaktionen behøver ingen fossile brændstoffer og producerer ingen kuldioxid eller andre drivhusgasser, og dets brug af solenergi giver en hidtil uset sol-til-brændstof-effektivitet, eller STF, på 11 %, hvilket er 10 gange bedre end noget andet state-of-the-art system til at producere ammoniak (ca. 1 % STF).

Den nye metode afhænger af en koboltkatalysator, som forskerne beskriver sammen med den nye proces i deres papir, "Soldrevet elektrokemisk syntese af ammoniak ved hjælp af nitrat med 11 % sol-til-brændstofeffektivitet ved omgivende forhold."

For at identificere katalysatoren, forskerne anvendte først beregningsteori til at forudsige, hvilket metal der ville fungere bedst. Efter at have identificeret kobolt gennem disse modeller, holdet eksperimenterede med metallet, forsøger forskellige måder at optimere sin aktivitet i reaktionen. Forskerne fandt ud af, at en ru koboltoverflade afledt af oxidation virkede bedst til at skabe en reaktion, der var selektiv, hvilket betyder, at det omdannede næsten alle nitratmolekylerne til ammoniak.

"At finde en aktiv, selektiv, og stabil katalysator, der fungerede i et solcelledrevet system, er et kraftfuldt bevis på, at bæredygtig syntese af ammoniak i industriel skala er mulig, " sagde Singh.

Ikke kun er selve reaktionen kulstofneutral, hvilket er godt for miljøet, men hvis systemet er udviklet til industriel brug, det kan også have en næsten netto-negativ, genoprettende effekt på miljøet.

"Ved at bruge spildevandsnitrat er vi også nødt til at fjerne forureningen fra overflade- og grundvandet. Over tid, dette betyder, at processen samtidig kan hjælpe med at korrigere for industriaffald og afløbsvand og genoprette nitrogenkredsløbet, især i landdistrikter, som kan opleve økonomiske ulemper eller bære den største risiko ved høj eksponering for overskydende nitrat, " sagde Singh.

Høj eksponering for nitrat gennem drikkevand har været forbundet med helbredstilstande som kræft, skjoldbruskkirtel sygdom, for tidlig fødsel, og lav fødselsvægt.

"Vi er alle meget begejstrede for denne præstation, og vi stopper ikke her. Vi håber på, at vi snart vil have en større prototype, som vi kan teste en meget større skala med, " sagde Singh, som allerede samarbejder med kommunale selskaber, spildevandsbehandlingscentre, og andre i branchen om at videreudvikle systemet.

Et patent på den nye proces er blevet indgivet af UIC Office of Technology Management.

Medforfattere til papiret er Nishithan Kani og Aditya Parajapati fra UIC, Joseph Gauthier fra Texas Tech University, Jane Edgington og Linsey Seitz fra Northwestern University, Isha Bordawekar fra Warren Township High School, Windom Shields og Mitchell Shields of Worldwide Liquid Sunshine, og Aayush Singh fra Dow Inc.