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结合阳光和废水硝酸盐,打造世界第二大化学品

发布时间:2021-09-14 12:01:00

芝加哥伊利诺伊大学的工程师们发明了一种太阳能电化学反应,它不仅利用废水使氨成为世界上第二大产出的化学物质,而且达到了太阳能燃料效率,比任何其他类似技术都好10倍。

他们的研究结果发表在《能源与能源》杂志上;《环境科学》,一本研究能源输送和环境保护交叉点的顶级杂志。

首席研究员Meenesh Singh说:“这项技术和我们的方法在按需合成肥料方面具有巨大潜力,并可能对发达*家和发展中*家的农业和能源部门以及减少化石燃料温室气体的努力产生巨大影响。”UIC工程学院化学工程助理教授。

氨是一个氮原子和三个氢原子的混合物,是肥料和许多制成品(如塑料和药品)的关键化合物。目前从氮中制取氨的方法需要燃烧化石燃料所产生的大量热量,以打破氮原子之间的强键,使其与氢结合。这一长达一个世纪的过程产生了全球温室气体排放的很大一部分,这是气候变化的驱动力。

在此之前,辛格和他的同事们开发了一种环境友好的方法,通过在水基溶液中用带电的、覆盖催化剂的筛网过滤纯氮气来制备氨。这一反应只使用了少量的化石燃料能量使屏幕通电,从而分解氮原子,但它产生的氢气(80%)比氨(20%)多。

现在,研究人员改进了这一概念,并开发了一种新方法,使用硝酸盐(最常见的地下水污染物之一)来提供氮气和阳光,使反应带电。该系统产生接近100%的氨,几乎没有氢气副反应。该反应不需要化石燃料,也不产生二氧化碳或其他温室气体,而它使用太阳能产生的太阳能-燃料效率(STF)达到了前所未有的11%,比任何其他最先进的制氨系统(约1%STF)高10倍。

新方法依赖于钴催化剂,研究人员在他们的论文“利用硝酸盐在环境条件下以11%的太阳能-燃料效率进行太阳能驱动的氨电化学合成”中描述了钴催化剂和新工艺

为了确定催化剂,研究人员首先应用计算理论来预测哪种金属效果最好。在通过这些模型识别出钴之后,研究小组对这种金属进行了实验,尝试不同的方法来优化其在反应中的活性。研究人员发现,由氧化产生的粗糙钴表面最能产生选择性反应,这意味着它几乎将所有硝酸盐分子转化为氨。

辛格说:“找到一种在太阳能系统中起作用的活性、选择性和稳定性催化剂,有力地证明了在工业规模上可持续合成氨是可能的。”

不仅反应本身是碳中性的,这对环境是有利的,但是如果该系统被开发用于工业用途,它也可能对环境产生几乎净负的、恢复性的影响。

“使用废水硝酸盐意味着我们还必须去除地表水和地下水中的污染物。随着时间的推移,这意味着这一过程可能同时有助于纠正工业废水和径流,并重新平衡氮循环,特别是在可能面临经济劣势或高排放风险的农村地区有可能是过量的硝酸盐,”辛格说。

通过饮用水大量接触硝酸盐与癌症、甲状腺疾病、早产和低出生体重等健康状况有关。

辛格说:“我们都对这一成就感到非常激动,我们不会就此止步。我们希望不久将有一个更大的原型,我们可以用它进行更大规模的测试。”辛格已经在与市政公司、废水处理中心和业内其他人合作,进一步开发该系统。

新工艺的专利已由UIC技术管理办公室提交。

论文的合著者包括UIC的西森·卡尼(Nishithan Kani)和阿迪蒂亚·帕拉贾帕蒂(Aditya Parajapati)、德克萨斯理工大学的约瑟夫·高蒂尔(Joseph Gauthier)、西北大学的简·艾金顿(Jane Edgington)和林赛·塞茨(Linsey Seitz)、沃伦镇高中的伊莎·博达维卡(Isha Bordawekar)、全球液体阳光公司的温多姆·希尔兹(Windom Shi。

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