Föroreningar som sprids från en blomstrande global ekonomi utgör ett antal olika hot mot människors hälsa. Forskare från Zhongyuan University of Technology föreslog en ny möjlig väg för att effektivt omvandla nitrat, en utbredd vattenförorening, tillbaka till värdefull ammoniak.
Teamet beskrev en ny väg för att effektivt omvandla nitrat till ammoniak med metalltillsatt polyoxometalat som katalysator under milda driftsförhållanden i sin studie som nyligen publicerades i Polyoxometalates .
Under de senaste decennierna har ett antal metoder använts för att mildra nitratkväve, som bidrar till grundvattenförorening. Tidigare studier har visat att kemisk reduktion inte bara kan minska eller eliminera nitratkväve utan faktiskt kan använda den skadliga föroreningen till god användning genom att omvandla den till ammoniak – en viktig syntetisk industrikemikalie som används över hela världen.
Genomträngande inom ett brett spektrum av områden har ammoniak en extremt hög energitäthet och är enkel att göra flytande och transportera. En sekelgammal metod som kallas Haber-Bosch-processen omvandlar atmosfäriskt kväve till ammoniak genom en reaktion med väte med hjälp av en järnmetallkatalysator under höga temperaturer och tryck. Men de tryck och temperaturer som krävs för "fixering"-processen förbrukar stora mängder energi och producerar enorma mängder växthusgasutsläpp.
"Vi bör hitta högeffektiva, miljövänliga metoder för att reducera kväve till ammoniak under milda förhållanden", säger Zhihui Ni, studieförfattare från Zhongyuan University of Technology.
Under de senaste åren har forskare utvecklat ett antal milda kvävereduktionstekniker som alternativ till Haber-Bosch-processen, inklusive elektrokatalys, fotokatalys och mikrobiella bränsleceller. Av dessa är elektrokemisk nitratreduktion en lovande alternativ syntetisk väg för hållbar ammoniakproduktion, eftersom den inte bara eliminerar nitrat från vatten utan också producerar ammoniak under milda driftsförhållanden.
På grundval av detta syntetiserade forskargruppen två nickeltillsatta polyoxometalater (POM), en klass av metalloxidkluster med unika fysikalisk-kemiska egenskaper som gör dem särskilt effektiva när det gäller att använda elektrisk energi för att driva en kemisk reaktion.
Tack vare stabiliteten hos deras molekylära strukturer och reversibla redoxegenskaper kan POM som katalysatorer bryta ner organiska föroreningar i avloppsvatten och minska koldioxid. POM kan också katalysera enkla organiska transformationer, inklusive bindningsbildning.
Forskargruppen karakteriserade strukturerna hos nickelföreningarna och syntetiserade dem hydrotermiskt för att testa dem under höga tryck. De elektrokemiska nitratreduktionsreaktionstesterna utfördes med användning av en elektrokemisk arbetsstation.
"För att utvärdera det praktiska med nitratreduktionen under verkliga driftsförhållanden genomförde vi de elektrokatalytiska testerna över ett brett spektrum av nitratkoncentrationer," sa Ni. De testade också för elektrokatalysatorers stabilitet, ammoniakutbyte och Faradays effektivitet bland andra parametrar.
Resultaten visar högeffektiv elektrokemisk katalytisk kvävereduktion till ammoniak.
"Denna upptäckt skapar en ny väg för tillverkning av högeffektiva elektrokemiska nitratreduktionsreaktionselektrokatalysatorer med metalltillsatt polyoxometalat som katalysator i omgivande miljöer," sa Ni. "Forskningsresultaten ger praktiska råd för att skapa effektiva elektrokatalytiska katalysatorer."
I framtida steg planerar forskargruppen att ytterligare utforska denna metod för att skapa effektiva elektrokatalytiska katalysatorer.
Mer information: Zhihui Ni et al, hexanukleärt nickeltillsatt kiselvolframat som högeffektiva elektrokatalysatorer för nitratreduktion till ammoniak, Polyoxometallater (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140044
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
