Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак

Загрязнения, извергаемые бурно развивающейся мировой экономикой, представляют собой множество различных угроз для здоровья человека. Исследователи из Технологического университета Чжунъюань предложили новый способ эффективного преобразования нитрата, широко распространенного загрязнителя воды, обратно в ценный аммиак.

В своем недавно опубликованном исследовании команда описала новый путь эффективного преобразования нитрата в аммиак с использованием полиоксометалата с добавлением металла в качестве катализатора при мягких условиях эксплуатации.

Исследование опубликовано в журнале Polyoxometalates.

За последние несколько десятилетий был применен ряд методов для борьбы с нитратным азотом, который способствует загрязнению грунтовых вод. Предыдущие исследования показали, что химическое восстановление может не только уменьшить или устранить нитратный азот, но и использовать вредный загрязнитель с пользой, преобразуя его в аммиак — основной синтетический промышленный химикат, используемый во всем мире.

Аммиак используется в самых разных областях, он обладает чрезвычайно высокой плотностью энергии, его легко сжижать и транспортировать. Столетний метод, называемый процессом Хабера-Боша, превращает атмосферный азот в аммиак путем реакции с водородом с использованием железного катализатора при высоких температурах и давлении. Однако давление и температура, необходимые для процесса «фиксации», потребляют большое количество энергии и производят огромное количество выбросов парниковых газов.

Мы должны найти высокоэффективные и экологически безопасные методы восстановления азота до аммиака в мягких условиях, — говорит Чжихуэй Ни, автор исследования из Технологического университета Чжунъюань.

В последние несколько лет ученые разработали ряд мягких методов восстановления азота в качестве альтернативы процессу Хабера-Боша, включая электрокатализ, фотокатализ и микробные топливные элементы. Среди них электрохимическая реакция восстановления нитратов является перспективным альтернативным синтетическим маршрутом для устойчивого производства аммиака, поскольку она не только удаляет нитраты из воды, но и производит аммиак в мягких условиях эксплуатации.

Исходя из этого, исследовательская группа синтезировала два полиоксометаллата (POM) с добавлением никеля — класс металлооксидных кластеров с уникальными физико-химическими свойствами, которые делают их особенно эффективными при использовании электрической энергии для запуска химической реакции.

Благодаря стабильности молекулярных структур и обратимым окислительно-восстановительным свойствам, ПОМ в качестве катализаторов могут расщеплять органические загрязнители в сточных водах и снижать содержание углекислого газа. POM также могут катализировать простые органические превращения, включая образование связей.

Исследовательская группа охарактеризовала структуры соединений никеля и провела их гидротермический синтез, чтобы испытать их при высоком давлении. Электрохимические испытания реакции восстановления нитратов проводились с использованием электрохимической рабочей станции.

Чтобы оценить практичность восстановления нитратов в реальных условиях эксплуатации, мы провели электрокаталитические испытания в широком диапазоне концентраций нитратов, — говорит Ни. Кроме того, были проверены стабильность электрокатализаторов, скорость выхода аммиака и эффективность по Фарадею, а также другие параметры.

Результаты показали высокую эффективность электрохимического каталитического восстановления азота до аммиака.

Это открытие открывает новый путь для производства высокоэффективных электрокатализаторов реакции восстановления нитратов с использованием полиоксометалата с добавлением металла в качестве катализатора в условиях окружающей среды, — сказал Ни.

Результаты исследования дают практические рекомендации по созданию эффективных электрокаталитических катализаторов.

В будущем исследовательская группа планирует продолжить изучение этого метода создания эффективных электрокаталитических катализаторов.

14.12.2023