太阳能电化学反应利用废水制造世界第二大化学品

UIC氨电化学系统

UIC的研究人员创造了一个可持续的电化学系统,在这个系统中,太阳能电池被连接到一个容纳液体溶液的井上。当充电时,废水中的硝酸盐在液溶液中转化为氨。信贷:Meenesh辛格/ UIC

UIC工程师通过可持续的电化学反应将硝酸盐转化为氨,太阳能转化为燃料的效率很高。

伊利诺伊大学芝加哥分校的工程师们发明了一种太阳能电化学反应,它不仅利用废水制造氨(世界上产量第二大的化学物质),而且还实现了太阳能转化燃料的效率,比其他任何类似技术都高出10倍。

他们的发现发表在能源与环境科学该杂志是研究能源输送和环境保护交叉领域的顶级期刊。

“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,并可能对发达国家和发展中国家的农业和能源部门,以及减少化石燃料产生的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、首席研究员Meenesh Singh说。

氨,一个氮的化合物原子和三个氢原子,是肥料和许多工业产品的关键化合物,如塑料和药品。目前从氮中制造氨的方法需要燃烧化石燃料产生的大量热量,以打破氮原子之间的强键,使它们能与氢结合。这个有百年历史的过程产生了全球温室气体排放的很大一部分,而温室气体排放是气候变化的驱动力。

此前,辛格和他的同事们开发了一种环保的制取氨的方法通过在水基溶液中通过一个带电的、被催化剂覆盖的筛网过滤纯氮气。这个反应只使用了少量的化石燃料能量来给屏幕通电,从而分解了氮原子,但它产生的氢气(80%)比氨(20%)更多。

现在,研究人员改进了这一概念,并开发了一种新方法,利用硝酸盐(最常见的地下水污染物之一)提供氮和阳光,使反应带电。该系统产生的氨气几乎为100%,氢气副反应几乎为零。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,而且太阳能的使用产生了前所未有的太阳能到燃料的效率,或STF, 11%,这比任何其他最先进的系统生产氨(约1% STF)高出10倍。

新方法依赖于一种钴催化剂,研究人员在他们发表在期刊上的论文《在环境条件下使用硝酸的太阳能驱动电化学合成氨,太阳能燃料效率为11%》中描述了这一新过程能源与环境科学

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它在反应中的活性。研究人员发现,氧化产生的粗糙钴表面最有利于产生选择性反应,这意味着它将几乎所有的硝酸盐分子转化为氨。

辛格说:“在太阳能系统中找到一种活性、选择性和稳定的催化剂,有力地证明了在工业规模上可持续地合成氨是可能的。”

不仅反应本身是碳中性的,这对环境有好处,而且如果该系统被开发用于工业用途,它也可能对环境有几乎净负面的修复作用。

“使用废水硝酸盐意味着我们还必须去除地表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水,并重新平衡氮循环,特别是在农村地区,这些地区可能面临经济不利,或因过度暴露于硝酸盐而承担最大风险,”辛格说。

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

“我们都为这一成就感到激动,我们不会就此止步。我们希望很快就能有一个更大的原型,我们可以用它来测试更大的规模。”辛格说,他已经在与市政公司、废水处理中心和其他业内人士合作,进一步开发该系统。

参考文献:“在环境条件下,利用硝酸盐的太阳能驱动电化学合成氨,太阳能-燃料效率为11%”,Nishithan C. Kani, Joseph A. Gauthier, Aditya Prajapati, Jane Edgington, Isha Bordawekar, Windom Shields, Mitchell Shields, Linsey C. Seitz, Aayush R. Singh和Meenesh R. Singh, 2021年9月7日,能源与环境科学
DOI: 10.1039 / D1EE01879E

UIC技术管理办公室已经为这种新方法申请了专利。

这篇论文的共同作者是UIC的Nishithan Kani和Aditya Parajapati,德克萨斯理工大学的Joseph Gauthier,来自德克萨斯理工大学的Jane Edgington和Linsey Seitz西北大学、沃伦镇高中的Isha Bordawekar、世界液体阳光公司的Windom Shields和Mitchell Shields,以及陶氏公司的Aayush Singh。

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