En ny järnkatalysator hjälper till att företrädesvis reducera kväveoxid till hydroxylamin, öppna dörrar för föroreningskontroll och ren energi. Kredit:Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)
Vårt beroende av fossila bränslen som primär energikälla har drivit luftföroreningarna till den högsta någonsin, resulterar i flera miljö- och hälsoproblem. Bland de största föroreningarna, kväveoxid (NO x ) ansamling kan orsaka allvarliga luftvägssjukdomar och obalans i jordens kvävekretslopp. Minskar NO x ackumulering är, därför, en fråga av yttersta vikt.
Nyligen, omvandlingen av NO x till ofarliga eller till och med användbara kväveprodukter har dykt upp som en lovande strategi. Särskilt tilltalande för forskare är minskningen av NO x till hydroxylamin (NH 2 ÅH), som kan användas som en förnybar energikälla.
Steget "gör-eller-bryt" som bestämmer bildningen av hydroxylamin är den katalytiska elektrokemiska reduktionen av kväveoxid (NO), som antingen kan ge hydroxylamin eller dikväveoxid (N 2 O), beroende på elektrolytens pH och elektrodpotential. Studier visar att för att hydroxylaminbildningen ska dominera över N 2 O bildning, mycket sura elektrolyter med ett pH lägre än 0 krävs. Dock, en sådan hårt sur miljö bryter snabbt ned katalysatorn, begränsa reaktionen. "Utvecklingen av en ny katalysator med hög aktivitet, selektivitet, och stabilitet är nästa utmaning, säger professor Chang Hyuck Choi från Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) i Korea där han arbetar med katalys av elektrokemiska reaktioner.
I en nyligen publicerad studie publicerad i Naturkommunikation , Prof. Choi och hans kollegor från Korea och Frankrike undersökte NO-reduktion i närvaro av en ny järn-kvävedopad kol (Fe-N-C) katalysator gjord av isolerad FeN x C y delar bundna till ett kolhaltigt substrat. Katalysatorn valdes för sin höga selektivitet för NH 2 OH-vägen samt dess motståndskraft mot extremt sura förhållanden.
Teamet uppträdde i operando (dvs. under reaktionen) spektroskopi och elektrokemisk analys av katalysatorn för att bestämma dess katalytiska ställe och pH-beroendet av NH 2 OH produktion.
De identifierade det aktiva stället för katalysatorn som järnhaltiga delar bundna till kolsubstratet där NH-hastigheten 2 OH-bildning visade en märklig ökning med sjunkande pH. Teamet tillskrev denna egenhet till ett osäkert oxidationstillstånd av NO. Till sist, de uppnådde effektiv (71 %) NH 2 OH-produktion i en prototypisk NO-H 2 bränslecell, fastställande av katalysatorns praktiska användbarhet. Dessutom, de fann att katalysatorn uppvisade långtidsstabilitet, visar inga tecken på avaktivering även efter drift i över 50 timmar!
Tillvägagångssättet minskar inte bara skadliga luftföroreningar, men ger också en användbar biprodukt som kan komma till användning för att inleda ett förnybar energisamhälle. "Förutom tillämpningarna av hydroxylamin i nylonindustrin, den kan också användas som en alternativ vätebärare. Således, den nya katalysatorn hjälper inte bara till att minska mängden NO x föroreningar i vår atmosfär men också leder oss till en framtid för förnybar energi, " förklarar prof. Choi.
Vi kan andas lugnt med vetskapen om att teamets resultat tar oss några steg närmare ett föroreningsfritt samhälle för förnybar energi.
