WPI-onderzoekers hebben een materiaal ontwikkeld om ureum uit water te verwijderen en dit mogelijk om te zetten in waterstofgas. Door deze materialen van nikkel- en kobaltatomen te bouwen met zorgvuldig op maat gemaakte elektronische structuren, heeft de groep het potentieel ontsloten om deze overgangsmetaaloxiden en -hydroxiden in staat te stellen ureum selectief te oxideren in een elektrochemische reactie.

De studie, geleid door Xiaowei Teng, de James H. Manning hoogleraar Chemical Engineering bij WPI, werd gepubliceerd in het Journal of Physical Chemistry Letters en gemarkeerd op de aanvullende voorkant van de publicatie.

De uitdaging om ureum uit water te verwijderen

Ureum is een goedkope stikstofmeststof voor de landbouw en een natuurlijk product uit de menselijke stofwisseling. Het ureumrijke afvoerwater uit de landbouw en de lozing van gemeentelijk afvalwater veroorzaken eutrofiëring; schadelijke algenbloei en hypoxische dode zones die een negatieve invloed hebben op het watermilieu en de menselijke gezondheid.

Tegelijkertijd maken de unieke eigenschappen van ureum het tot een potentieel waterstofopslagmedium dat levensvatbare waterstofproductie op aanvraag zou kunnen bieden. Ureum is bijvoorbeeld niet giftig, heeft een hoge oplosbaarheid in water en een hoog waterstofgehalte (6,7 gew.%). Zo is ureumelektrolyse voor de productie van waterstof energie-efficiënter en zuiniger dan waterelektrolyse.

De zwakte van ureum-elektrolyse is altijd het gebrek aan goedkope en zeer efficiënte elektrokatalysatoren geweest die selectief ureum oxideren in plaats van water, maar Teng en zijn team hebben een oplossing gevonden:het maken van elektrokatalysatoren die bestaan ​​uit synergetisch op elkaar inwerkende nikkel- en kobaltatomen met unieke elektronische structuren. voor selectieve elektro-oxidatie van ureum.

Verbeterde selectiviteit en activiteit ontgrendelen

Het onderzoek van het WPI-team concentreerde zich op homogene nikkel- en kobaltoxiden en -hydroxiden. Onderzoekers ontdekten dat de sleutel tot het verbeteren van de elektrochemische activiteit en selectiviteit voor ureumoxidatie lag in het afstemmen van de unieke elektronische structuren met dominante Ni ²⁺ en Co ³⁺ soort.

"Deze elektronische configuratie is een cruciale factor om de selectiviteit van ureumoxidatie te verbeteren, omdat we waarnemen dat een hogere nikkelvalentie, zoals Ni ³⁺ , helpt inderdaad bij het produceren van een snelle reactie met een sterke elektrische stroom; een groot deel van de stroming was echter afkomstig van ongewenste wateroxidatie', zei Teng.

Om dit effect beter te begrijpen, werkte de groep van Teng samen met Aaron Deskins, hoogleraar chemische technologie bij WPI. Deskins voerde de computationele simulaties uit en ontdekte dat een homogene menging van nikkel- en kobaltoxiden en hydroxiden de elektronenherverdeling door Ni ²⁺ ten goede kwam. naar Co ³⁺ soorten en het verschuiven van valentie-elektronen naar hogere energie, zodat de Ni/Co-katalysatoren beter voorbereid waren om deel te nemen aan binding met ureum- en watermoleculen.

Toepassingen en toekomstperspectieven

Ureum, een belangrijke stikstofmeststof en voeradditief, werd al in de jaren twintig commercieel geproduceerd; In 2021 werd ongeveer 180 miljoen ton geproduceerd. Ureum kan worden gewonnen uit natuurlijke bronnen; een volwassen mens produceert dagelijks 1,5 liter urine, wat overeenkomt met 11 kg ureum en 0,77 kg waterstofgas per jaar.

De bevindingen van het team kunnen helpen ureum in afvalstromen te gebruiken om op efficiënte wijze waterstofbrandstof te produceren via het elektrolyseproces, en kunnen worden gebruikt om ureum uit water te scheiden, de duurzaamheid van ecologische systemen op de lange termijn te behouden en een revolutie teweeg te brengen in de relatie tussen water en energie. P>

Meer informatie: Tongxin Zhou et al., Verbeterde elektrokatalytische activiteit van ureumoxidatie door synergetische gemengde kobalt- en nikkeloxiden, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03257

Journaalinformatie: Journal of Physical Chemistry Letters

Aangeboden door Worcester Polytechnic Institute