Ingenjörer vid University of Illinois Chicago har skapat en soldriven elektrokemisk reaktion som inte bara använder avloppsvatten för att göra ammoniak – den näst mest producerade kemikalien i världen – utan också uppnår en sol-till-bränsleeffektivitet som är 10 gånger bättre än någon annan jämförbar teknik.

Deras resultat publiceras i Energi- och miljövetenskap , en topptidskrift för forskning i skärningspunkten mellan energileverans och miljöskydd.

"Denna teknik och vår metod har stor potential för att tillåta on-demand syntes av gödningsmedel och kan ha en enorm inverkan på jordbruks- och energisektorerna i utvecklade länder och utvecklingsländer, och om insatser för att minska växthusgaser från fossila bränslen, " sa huvudforskaren Meenesh Singh, biträdande professor i kemiteknik vid UIC College of Engineering.

Ammoniak, en kombination av en kväveatom och tre väteatomer, är en nyckelförening av gödningsmedel och många tillverkade produkter, som plast och läkemedel. Nuvarande metoder för att göra ammoniak från kväve kräver enorma mängder värme, genereras av förbränning av fossila bränslen, att bryta de starka bindningarna mellan kväveatomer så att de kan binda till väte. Denna hundraåriga process producerar en betydande del av de globala utsläppen av växthusgaser, som är en drivkraft för klimatförändringarna.

Tidigare, Singh och hans kollegor utvecklade en miljövänlig metod för att tillverka ammoniak genom att filtrera ren kvävgas genom en elektriskt laddad, katalysatortäckt nätsikt i en vattenbaserad lösning. Denna reaktion använde bara en liten mängd fossilt bränsle för att elektrifiera skärmen, som bryter isär kväveatomer, men den producerade mer vätgas (80 %) än ammoniak (20 %).

Nu, forskarna har förbättrat detta koncept och utvecklat en ny metod som använder nitrat, en av de vanligaste grundvattenföroreningarna, att tillföra kväve och solljus för att elektrifiera reaktionen. Systemet producerar nästan 100 % ammoniak med nästan noll vätgassidoreaktioner. Reaktionen behöver inga fossila bränslen och producerar ingen koldioxid eller andra växthusgaser, och dess användning av solenergi ger en oöverträffad solenergi-till-bränsleeffektivitet, eller STF, på 11 %, vilket är 10 gånger bättre än något annat toppmodernt system för att producera ammoniak (cirka 1 % STF).

Den nya metoden bygger på en koboltkatalysator, som forskarna beskriver tillsammans med den nya processen i sin uppsats, "Soldriven elektrokemisk syntes av ammoniak med användning av nitrat med 11 % solenergi-till-bränsleeffektivitet vid omgivande förhållanden."

För att identifiera katalysatorn, forskarna tillämpade först beräkningsteori för att förutsäga vilken metall som skulle fungera bäst. Efter att ha identifierat kobolt genom dessa modeller, laget experimenterade med metallen, prövar olika sätt att optimera sin aktivitet i reaktionen. Forskarna fann att en grov koboltyta härrörande från oxidation fungerade bäst för att skapa en reaktion som var selektiv, vilket betyder att det omvandlade nästan alla nitratmolekyler till ammoniak.

"Att hitta en aktiv, selektiv, och stabil katalysator som fungerade i ett solcellsdrivet system är ett kraftfullt bevis på att hållbar syntes av ammoniak i industriell skala är möjlig, " sa Singh.

Inte bara är reaktionen i sig kolneutral, vilket är bra för miljön, men om systemet är utvecklat för industriellt bruk, den kan också ha en nästan netto-negativ, återställande effekt på miljön.

"Att använda avloppsvattennitrat innebär att vi också måste ta bort föroreningarna från yt- och grundvatten. Med tiden detta innebär att processen samtidigt kan hjälpa till att korrigera för industriavfall och avrinningsvatten och återbalansera kvävekretsloppet, särskilt på landsbygden som kan uppleva ekonomiska nackdelar eller bära den största risken från hög exponering för överskott av nitrat, " sa Singh.

Hög exponering för nitrat genom dricksvatten har associerats med hälsotillstånd som cancer, sköldkörtelsjukdom, för tidig födsel, och låg födelsevikt.

"Vi är alla väldigt glada över denna prestation, och vi slutar inte här. Vi hoppas att vi snart kommer att ha en större prototyp som vi kan testa i mycket större skala med, sa Singh, som redan samarbetar med kommunala bolag, reningsverk för avloppsvatten, och andra i branschen om att vidareutveckla systemet.

Ett patent för den nya processen har lämnats in av UIC Office of Technology Management.

Medförfattare till tidningen är Nishithan Kani och Aditya Parajapati från UIC, Joseph Gauthier från Texas Tech University, Jane Edgington och Linsey Seitz från Northwestern University, Isha Bordawekar från Warren Township High School, Windom Shields och Mitchell Shields of Worldwide Liquid Sunshine, och Aayush Singh från Dow Inc.