Ny katalysator åbner for effektiv omdannelse fra nitratforurening til værdifuld ammoniak

Forurening fra en blomstrende global økonomi udgør en række forskellige trusler mod menneskers sundhed. Forskere fra Zhongyuan University of Technology foreslog en ny mulig vej til effektivt at omdanne nitrat, et udbredt vandforurenende stof, tilbage til værdifuld ammoniak.

Holdet skitserede en ny vej til effektivt at omdanne nitrat til ammoniak ved hjælp af metaltilsat polyoxometalat som katalysator under milde driftsforhold i deres undersøgelse for nylig offentliggjort i Polyoxometalates .

I de seneste årtier er en række metoder blevet anvendt til at afbøde nitratkvælstof, som bidrager til grundvandsforurening. Tidligere undersøgelser har vist, at kemisk reduktion ikke kun kan reducere eller eliminere nitratnitrogen, men faktisk kan bruge det skadelige forurenende stof til god brug ved at omdanne det til ammoniak - et vigtigt syntetisk industrikemikalie, der bruges over hele verden.

Gennemtrængende på en bred vifte af områder har ammoniak en ekstrem høj energitæthed og er nem at fortætte og transportere. En århundrede gammel metode kaldet Haber-Bosch-processen omdanner atmosfærisk nitrogen til ammoniak ved en reaktion med brint ved hjælp af en jernmetalkatalysator under høje temperaturer og tryk. Men de tryk og temperaturer, der er nødvendige for "fiksering"-processen, forbruger store mængder energi og producerer enorme mængder drivhusgasemissioner.

"Vi bør finde højeffektive, miljøvenlige metoder til at reducere nitrogen til ammoniak under milde forhold," sagde Zhihui Ni, undersøgelsesforfatter fra Zhongyuan University of Technology.

I de sidste par år har forskere udviklet en række milde nitrogenreduktionsteknikker som alternativer til Haber-Bosch-processen, herunder elektrokatalyse, fotokatalyse og mikrobielle brændselsceller. Af disse er elektrokemisk nitratreduktionsreaktion en lovende alternativ syntetisk vej til bæredygtig ammoniakproduktion, fordi den ikke kun fjerner nitrat fra vand, men også producerer ammoniak under milde driftsforhold.

På dette grundlag syntetiserede forskerholdet to nikkeltilsatte polyoxometalater (POM'er), en klasse af metaloxidklynger med unikke fysisk-kemiske egenskaber, der gør dem særligt effektive til at bruge elektrisk energi til at drive en kemisk reaktion.

Takket være stabiliteten af ​​deres molekylære strukturer og reversible redoxegenskaber kan POM'er som katalysatorer nedbryde organiske forurenende stoffer i spildevand og reducere kuldioxid. POM'er kan også katalysere simple organiske transformationer, herunder bindingsdannelse.

Forskerholdet karakteriserede strukturerne af nikkelforbindelserne og syntetiserede dem hydrotermisk for at teste dem under højt tryk. De elektrokemiske nitratreduktionsreaktionstests blev udført ved hjælp af en elektrokemisk arbejdsstation.

"For at evaluere det praktiske ved nitratreduktionen under reelle driftsforhold gennemførte vi de elektrokatalytiske tests over en bred vifte af nitratkoncentrationer," sagde Ni. De testede også blandt andre parametre for elektrokatalysatorers stabilitet, ammoniakudbytte og Faraday-effektivitet.

Resultaterne viser højeffektiv elektrokemisk katalytisk nitrogenreduktion til ammoniak.

"Denne opdagelse skaber en ny vej til fremstilling af yderst effektive elektrokemiske nitratreduktionsreaktionselektrokatalysatorer ved hjælp af metaltilsat polyoxometalat som katalysator i omgivende omgivelser," sagde Ni. "Forskningsresultaterne giver praktiske råd til at skabe effektive elektrokatalytiske katalysatorer."

I fremtidige trin planlægger forskerholdet yderligere at udforske denne metode til at skabe effektive elektrokatalytiske katalysatorer.

Flere oplysninger: Zhihui Ni et al., Hexanuclear nikkel-tilsat silicotungstater som højeffektive elektrokatalysatorer til nitratreduktion til ammoniak, Polyoxometalater (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140044

Leveret af Tsinghua University Press