De vervuiling die voortkomt uit een bloeiende wereldeconomie vormt een aantal verschillende bedreigingen voor de menselijke gezondheid. Onderzoekers van de Zhongyuan University of Technology stelden een nieuwe mogelijke manier voor om nitraat, een wijdverbreide waterverontreinigende stof, efficiënt om te zetten in waardevolle ammoniak.

Het team schetste een nieuw pad om nitraat efficiënt om te zetten in ammoniak met behulp van polyoxometalaat met toegevoegde metalen als katalysator onder milde bedrijfsomstandigheden in hun onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Polyoxometalates .

De afgelopen decennia zijn er een aantal methoden ingezet om nitraatstikstof, dat bijdraagt ​​aan de grondwaterverontreiniging, te verminderen. Eerdere studies hebben aangetoond dat chemische reductie niet alleen nitraatstikstof kan verminderen of elimineren, maar ook de schadelijke vervuilende stof daadwerkelijk goed kan gebruiken door deze om te zetten in ammoniak, een belangrijke synthetische industriële chemische stof die wereldwijd wordt gebruikt.

Ammoniak is alomtegenwoordig in een groot aantal gebieden en heeft een extreem hoge energiedichtheid en is eenvoudig vloeibaar te maken en te transporteren. Een eeuwenoude methode, het Haber-Bosch-proces genaamd, zet atmosferische stikstof om in ammoniak door een reactie met waterstof met behulp van een ijzermetaalkatalysator onder hoge temperaturen en drukken. De drukken en temperaturen die nodig zijn voor het "fixatie"-proces verbruiken echter grote hoeveelheden energie en veroorzaken enorme hoeveelheden broeikasgasemissies.

"We moeten zeer efficiënte, milieuvriendelijke methoden vinden om stikstof onder milde omstandigheden tot ammoniak te reduceren", zegt Zhihui Ni, auteur van het onderzoek aan de Zhongyuan University of Technology.

De afgelopen jaren hebben wetenschappers een aantal milde stikstofreductietechnieken ontwikkeld als alternatief voor het Haber-Bosch-proces, waaronder elektrokatalyse, fotokatalyse en microbiële brandstofcellen. Hiervan is de elektrochemische nitraatreductiereactie een veelbelovende alternatieve synthetische route voor duurzame ammoniakproductie, omdat deze niet alleen nitraat uit water elimineert, maar ook ammoniak produceert onder milde bedrijfsomstandigheden.

Op basis hiervan synthetiseerde het onderzoeksteam twee nikkel-toegevoegde polyoxometalaten (POM's), een klasse van metaaloxideclusters met unieke fysisch-chemische eigenschappen die ze bijzonder effectief maken in het gebruik van elektrische energie om een ​​chemische reactie op gang te brengen.

Dankzij de stabiliteit van hun moleculaire structuren en omkeerbare redox-eigenschappen kunnen POM's als katalysatoren organische verontreinigende stoffen in afvalwater afbreken en kooldioxide verminderen. POM's kunnen ook eenvoudige organische transformaties katalyseren, inclusief de vorming van bindingen.

Het onderzoeksteam karakteriseerde de structuren van de nikkelverbindingen en synthetiseerde ze hydrothermisch om ze onder hoge druk te testen. De elektrochemische nitraatreductiereactietests werden uitgevoerd met behulp van een elektrochemisch werkstation.

"Om de bruikbaarheid van de nitraatreductie onder reële bedrijfsomstandigheden te evalueren, hebben we de elektrokatalytische tests uitgevoerd over een breed scala aan nitraatconcentraties", zei Ni. Ze testten ook onder andere de stabiliteit van de elektrokatalysatoren, de ammoniakopbrengst en de Faraday-efficiëntie.

De resultaten laten een zeer efficiënte elektrochemische katalytische stikstofreductie tot ammoniak zien.

"Deze ontdekking creëert een nieuw pad voor de productie van zeer effectieve elektrochemische nitraatreductiereactie-elektrokatalysatoren met behulp van aan metaal toegevoegd polyoxometalaat als katalysator in omgevingsomgevingen, " zei Ni. "De onderzoeksresultaten bieden praktisch advies voor het maken van effectieve elektrokatalytische katalysatoren."

In toekomstige stappen is het onderzoeksteam van plan deze methode voor het maken van effectieve elektrokatalytische katalysatoren verder te onderzoeken.

Meer informatie: Zhihui Ni et al, Hexanucleaire nikkel-toegevoegde silicowolfraten als hoogefficiënte elektrokatalysatoren voor nitraatreductie tot ammoniak, Polyoxometalaten (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140044

Aangeboden door Tsinghua University Press