Nyt materiale åbner mulighed for at omdanne vandforurenende stoffer til brintgas

WPI-forskere har udviklet et materiale til at fjerne urinstof fra vand og potentielt omdanne det til brintgas. Ved at bygge disse materialer af nikkel- og koboltatomer med omhyggeligt skræddersyede elektroniske strukturer, har gruppen frigjort potentialet til at sætte disse overgangsmetaloxider og -hydroxider i stand til selektivt at oxidere urinstof i en elektrokemisk reaktion.

Undersøgelsen, ledet af Xiaowei Teng, James H. Manning professor i kemiteknik ved WPI, blev offentliggjort i Journal of Physical Chemistry Letters og fremhævet i publikationens supplerende forside.

Udfordringen med at fjerne urinstof fra vand

Urea er en billig kvælstofgødning til landbruget og et naturligt produkt fra menneskets stofskifte. Urinstofrig landbrugsafstrømning og kommunalt spildevand forårsager eutrofiering – skadelig algeopblomstring og hypoksiske døde zoner, der har en negativ indvirkning på vandmiljøet og menneskers sundhed.

Samtidig gør de unikke egenskaber ved urea det til et potentielt brintlagringsmedium, der kunne tilbyde levedygtig on-demand brintproduktion. For eksempel er urinstof ikke-giftigt, har høj vandopløselighed og har et højt hydrogenindhold (6,7 vægt-%). Ureaelektrolyse til brintproduktion er således mere energieffektiv og økonomisk end vandelektrolyse.

Svagheden ved ureaelektrolyse har altid været manglen på billige og højeffektive elektrokatalysatorer, der selektivt oxiderer urea i stedet for vand, men Teng og hans team har fundet en løsning:at lave elektrokatalysatorer bestående af synergistisk vekselvirkende nikkel- og koboltatomer med unikke elektroniske strukturer til selektiv urea-elektrooxidation.

Lås op for forbedret selektivitet og aktivitet

WPI-teamets undersøgelse fokuserede på homogene nikkel- og koboltoxider og -hydroxider. Forskere fandt ud af, at nøglen til at forbedre dens elektrokemiske aktivitet og selektivitet over for urinstofoxidation lå i at skræddersy de unikke elektroniske strukturer med dominerende Ni ²⁺ og Co ³⁺ art.

"Denne elektroniske konfiguration er en afgørende faktor for at forbedre selektiviteten af ​​urinstofoxidation, fordi vi observerer, at højere nikkelvalens, såsom Ni ³⁺ , faktisk hjælper med at producere en hurtig reaktion med stærk elektrisk strømudgang; dog kom en stor del af strømmen fra uønsket vandoxidation," sagde Teng.

For bedre at forstå denne effekt, samarbejdede Tengs gruppe med Aaron Deskins, professor i kemiteknik ved WPI. Deskins udførte beregningssimuleringerne og fandt ud af, at homogen blanding af nikkel- og koboltoxider og -hydroxider gavnede elektronomfordelingen fra Ni ²⁺ til Co ³⁺ arter og skiftende valenselektroner til højere energi, så Ni/Co-katalysatorerne var bedre forberedt til at deltage i binding med urinstof og vandmolekyler.

Ansøgninger og fremtidsudsigter

Urinstof, som er et vigtigt kvælstofgødnings- og fodertilsætningsstof, blev kommercielt produceret så tidligt som i 1920'erne; omkring 180 millioner tons blev produceret i 2021. Urinstof kan stamme fra naturlige kilder; et voksent menneske producerer 1,5 L urin dagligt, svarende til 11 kg urinstof og 0,77 kg brintgas årligt.

Holdets resultater kunne hjælpe med at bruge urinstof i affaldsstrømme til effektivt at producere brintbrændstof gennem elektrolyseprocessen og kunne bruges til at binde urinstof fra vand, opretholde den langsigtede bæredygtighed af økologiske systemer og revolutionere vand-energi-sammenhængen.

Flere oplysninger: Tongxin Zhou et al., Enhanced Urea Oxidation Electrocatalytic Activity by Synergistic Cobalt and Nickel Mixed Oxides, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03257

Journaloplysninger: Journal of Physical Chemistry Letters

Leveret af Worcester Polytechnic Institute