WPI-forskare har utvecklat ett material för att ta bort urea från vatten och potentiellt omvandla det till vätgas. Genom att bygga dessa material av nickel- och koboltatomer med noggrant skräddarsydda elektroniska strukturer har gruppen frigjort potentialen att möjliggöra för dessa övergångsmetalloxider och -hydroxider att selektivt oxidera urea i en elektrokemisk reaktion.
Studien, ledd av Xiaowei Teng, James H. Mannings professor i kemiteknik vid WPI, publicerades i Journal of Physical Chemistry Letters och markeras i publikationens kompletterande framsida.
Urea är ett billigt kvävejordbruksgödselmedel och en naturlig produkt från människans ämnesomsättning. Urearikt avrinning från jordbruket och kommunalt avloppsvatten orsakar övergödning – skadliga algblomningar och hypoxiska döda zoner som negativt påverkar vattenmiljön och människors hälsa.
Samtidigt gör de unika egenskaperna hos urea det till ett potentiellt vätelagringsmedium som kan erbjuda lönsam väteproduktion på begäran. Till exempel är urea ogiftig, har hög vattenlöslighet och hög vätehalt (6,7 viktprocent). Således är ureaelektrolys för väteproduktion mer energieffektiv och ekonomisk än vattenelektrolys.
Svagheten med ureaelektrolys har alltid varit bristen på billiga och högeffektiva elektrokatalysatorer som selektivt oxiderar urea istället för vatten, men Teng och hans team har hittat en lösning:att tillverka elektrokatalysatorer som består av synergistiskt interagerande nickel- och koboltatomer med unika elektroniska strukturer för selektiv ureaelektrooxidation.
WPI-teamets studie fokuserade på homogena nickel- och koboltoxider och -hydroxider. Forskare fann att nyckeln till att förbättra dess elektrokemiska aktivitet och selektivitet för ureaoxidation låg i att skräddarsy de unika elektroniska strukturerna med dominerande Ni 2+ och Co 3+ art.
"Denna elektroniska konfiguration är en avgörande faktor för att förbättra selektiviteten för ureaoxidation eftersom vi observerar att högre nickelvalens, såsom Ni 3+ , verkligen hjälper till att producera en snabb reaktion med stark elektrisk strömutgång; Men en stor del av strömmen kom från oönskad vattenoxidation," sa Teng.
För att bättre förstå denna effekt samarbetade Tengs grupp med Aaron Deskins, professor i kemiteknik vid WPI. Deskins utförde beräkningssimuleringarna och fann att homogen blandning av nickel- och koboltoxider och -hydroxider gynnade elektronomfördelningen från Ni 2+ till Co 3+ arter och förskjutning av valenselektroner till högre energi så att Ni/Co-katalysatorerna var bättre förberedda att delta i bindning med urea och vattenmolekyler.
En viktig kvävegödsel- och fodertillsats, urea tillverkades kommersiellt så tidigt som på 1920-talet; cirka 180 miljoner ton producerades 2021. Urea kan härröra från naturliga källor; en vuxen människa producerar 1,5 L urin dagligen, motsvarande 11 kg urea och 0,77 kg vätgas per år.
Teamets resultat kan hjälpa till att använda urea i avfallsströmmar för att effektivt producera vätebränsle genom elektrolysprocessen, och kan användas för att binda urea från vatten, upprätthålla den långsiktiga hållbarheten hos ekologiska system och revolutionera vatten-energi-nexus.
Mer information: 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
Journalinformation: Journal of Physical Chemistry Letters
Tillhandahålls av Worcester Polytechnic Institute
