En skvätt ruteniumatomer på ett nät av nanotrådar av koppar kan vara ett steg mot en revolution i den globala ammoniakindustrin som också hjälper miljön.

Samarbetspartners vid Rice Universitys George R. Brown School of Engineering, Arizona State University och Pacific Northwest National Laboratory utvecklade den högpresterande katalysatorn som med nästan 100 % effektivitet kan dra ammoniak och fast ammoniak – även gödselmedel – från låga nivåer av nitrater som är utbredda i industriellt avloppsvatten och förorenat grundvatten.

En studie ledd av Rice kemiska och biomolekylära ingenjör Haotian Wang visar att processen omvandlar nitratnivåer på 2 000 ppm till ammoniak, följt av en effektiv gasavdrivningsprocess för insamling av ammoniakprodukter. Det återstående kväveinnehållet efter dessa behandlingar kan sänkas till "drickbara" nivåer enligt definitionen av Världshälsoorganisationen.

"Vi genomförde en komplett vattendenitrifieringsprocess", sa doktoranden Feng-Yang Chen. "Med ytterligare vattenrening på andra föroreningar kan vi potentiellt vända industriellt avloppsvatten tillbaka till dricksvatten."

Chen är en av tre huvudförfattare till artikeln som visas i Nature Nanotechnology .

Studien visar ett lovande alternativ till effektiva processer för en industri som är beroende av en energikrävande process för att producera mer än 170 miljoner ton ammoniak per år.

Forskarna visste från tidigare studier att ruteniumatomer är mästare på att katalysera nitratrikt avloppsvatten. Deras twist var att kombinera det med koppar som undertrycker väteutvecklingsreaktionen, ett sätt att producera väte från vatten som i det här fallet är en oönskad bieffekt.

"Vi visste att rutenium var en bra metallkandidat för nitratreduktion, men vi visste också att det fanns ett stort problem, att det lätt kunde ha en konkurrerande reaktion, vilket är väteutveckling," sa Chen. "När vi applicerade ström skulle många av elektronerna bara gå till väte, inte den produkt vi vill ha."

"Vi lånade ett koncept från andra områden som koldioxidreduktion, som använder koppar för att undertrycka väteutvecklingen," tillade Wang. "Sedan var vi tvungna att hitta ett sätt att organiskt kombinera rutenium och koppar. Det visar sig att dispergering av enstaka ruteniumatomer i kopparmatrisen fungerar bäst."

Teamet använde beräkningar av densitetsfunktionella teorierna för att förklara varför ruteniumatomer gör den kemiska vägen som förbinder nitrat och ammoniak lättare att korsa, enligt medkorrespondent författare Christopher Muhich, biträdande professor i kemiteknik vid Arizona State.

"När det bara finns rutenium, kommer vattnet i vägen," sa Muhich. "När det bara finns koppar finns det inte tillräckligt med vatten för att ge väteatomer. Men på de enskilda ruteniumplatserna konkurrerar vattnet inte lika bra, det ger precis tillräckligt med väte utan att ta upp fläckar för nitrat att reagera."

Processen fungerar vid rumstemperatur och under omgivningstryck, och vid vad forskarna kallade en "industrirelevant" nitratreduktionsström på 1 amp per kvadratcentimeter, den mängd el som behövs för att maximera katalyshastigheten. Det borde göra det lätt att skala upp, sa Chen.

"Jag tror att detta har stor potential, men det har ignorerats eftersom det har varit svårt för tidigare studier att nå en så bra strömtäthet samtidigt som den bibehåller god produktselektivitet, särskilt under låga nitratkoncentrationer," sa han. "Men nu visar vi just det. Jag är övertygad om att vi kommer att ha möjligheter att driva den här processen för industriella tillämpningar, särskilt eftersom den inte kräver stor infrastruktur."

En stor fördel med processen är minskningen av koldioxidutsläpp från traditionell industriell produktion av ammoniak. Dessa är inte obetydliga och uppgår till 1,4 % av världens årliga utsläpp, konstaterade forskarna.

"Även om vi förstod att omvandling av nitratavfall till ammoniak kanske inte helt kan ersätta den befintliga ammoniakindustrin på kort sikt, tror vi att denna process kan ge betydande bidrag till decentraliserad ammoniakproduktion, särskilt på platser med höga nitratkällor," sade Wang .

Vid sidan av den nya studien publicerade Wangs labb och miljöingenjören av Rice Pedro Alvarez, chef för Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Center, nyligen en artikel i Journal of Physical Chemistry C beskriver användningen av kobolt-koppar nanopartiklar på ett 3D kolfiberpapperssubstrat som en effektiv katalysator för att syntetisera ammoniak från nitratreduktion. Denna lågkostnadskatalysator visade också mycket lovande för denitrifieringen i avloppsvatten. + Utforska vidare

Använda grönt te som reducerande reagens för beredning av nanomaterial för att syntetisera ammoniak