Een vleugje rutheniumatomen op een gaas van koperen nanodraden zou een stap kunnen zijn in de richting van een revolutie in de wereldwijde ammoniakindustrie die ook het milieu helpt.

Medewerkers van de George R. Brown School of Engineering van Rice University, de Arizona State University en het Pacific Northwest National Laboratory ontwikkelden de krachtige katalysator die, met een efficiëntie van bijna 100%, ammoniak en vaste ammoniak - ook wel kunstmest genoemd - kan halen uit lage nitraten die zijn wijdverbreid in industrieel afvalwater en vervuild grondwater.

Een onderzoek onder leiding van Rice chemisch en biomoleculair ingenieur Haotian Wang toont aan dat het proces nitraatniveaus van 2.000 delen per miljoen omzet in ammoniak, gevolgd door een efficiënt gasstripproces voor het verzamelen van ammoniakproducten. Het resterende stikstofgehalte na deze behandelingen kan worden teruggebracht tot "drinkbare" niveaus zoals gedefinieerd door de Wereldgezondheidsorganisatie.

"We hebben een compleet waterdenitrificatieproces voltooid", zei afgestudeerde student Feng-Yang Chen. "Met verdere waterzuivering van andere verontreinigingen kunnen we industrieel afvalwater mogelijk weer drinkwater maken."

Chen is een van de drie hoofdauteurs van het artikel dat verschijnt in Nature Nanotechnology .

De studie toont een veelbelovend alternatief voor efficiënte processen voor een industrie die afhankelijk is van een energie-intensief proces om meer dan 170 miljoen ton ammoniak per jaar te produceren.

De onderzoekers wisten uit eerdere studies dat rutheniumatomen de beste zijn in het katalyseren van nitraatrijk afvalwater. Hun draai was het combineren met koper dat de waterstofontwikkelingsreactie onderdrukt, een manier om waterstof te produceren uit water, wat in dit geval een ongewenst neveneffect is.

"We wisten dat ruthenium een ​​goede metaalkandidaat was voor nitraatreductie, maar we wisten ook dat er een groot probleem was, dat het gemakkelijk een concurrerende reactie zou kunnen hebben, namelijk waterstofevolutie," zei Chen. "Toen we stroom toepasten, zouden veel van de elektronen gewoon naar waterstof gaan, niet naar het product dat we willen."

"We hebben een concept geleend van andere gebieden, zoals koolstofdioxidereductie, waarbij koper wordt gebruikt om de waterstofontwikkeling te onderdrukken", voegde Wang eraan toe. "Toen moesten we een manier vinden om ruthenium en koper organisch te combineren. Het blijkt dat het dispergeren van enkele rutheniumatomen in de kopermatrix het beste werkt."

Het team gebruikte dichtheidsfunctionaaltheorie-berekeningen om uit te leggen waarom rutheniumatomen het chemische pad dat nitraat en ammoniak met elkaar verbindt gemakkelijker te doorkruisen maken, volgens co-corresponderende auteur Christopher Muhich, een assistent-professor chemische technologie aan de staat Arizona.

"Als er alleen ruthenium is, zit het water in de weg," zei Muhich. "Als er alleen koper is, is er niet genoeg water om waterstofatomen te leveren. Maar op de afzonderlijke rutheniumsites concurreert water niet zo goed, het levert net genoeg waterstof zonder plekken in te nemen waar nitraat kan reageren."

Het proces werkt bij kamertemperatuur en onder omgevingsdruk, en bij wat de onderzoekers een "industrieel relevante" nitraatreductiestroom van 1 amp per vierkante centimeter noemden, de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om de katalysesnelheid te maximaliseren. Dat zou het gemakkelijk moeten maken om op te schalen, zei Chen.

"Ik denk dat dit een groot potentieel heeft, maar het is genegeerd omdat het voor eerdere studies moeilijk was om zo'n goede stroomdichtheid te bereiken met behoud van een goede productselectiviteit, vooral bij lage nitraatconcentraties," zei hij. "Maar nu laten we dat precies zien. Ik ben ervan overtuigd dat we mogelijkheden zullen hebben om dit proces voor industriële toepassingen te pushen, vooral omdat er geen grote infrastructuur voor nodig is."

Een belangrijk voordeel van het proces is de vermindering van de uitstoot van kooldioxide door de traditionele industriële productie van ammoniak. Deze zijn niet onbelangrijk, ze bedragen 1,4% van de jaarlijkse uitstoot in de wereld, merkten de onderzoekers op.

"Hoewel we begrepen dat het omzetten van nitraatafval in ammoniak de bestaande ammoniakindustrie op korte termijn misschien niet volledig kan vervangen, zijn we van mening dat dit proces een belangrijke bijdrage kan leveren aan de gedecentraliseerde ammoniakproductie, vooral op plaatsen met hoge nitraatbronnen", zei Wang. .

Naast de nieuwe studie hebben Wang's lab en dat van Rice milieu-ingenieur Pedro Alvarez, directeur van het Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Center, onlangs een paper gepubliceerd in het Journal of Physical Chemistry C detaillering van het gebruik van kobalt-koper nanodeeltjes op een 3D-substraat van koolstofvezelpapier als een efficiënte katalysator om ammoniak uit nitraatreductie te synthetiseren. Deze goedkope katalysator was ook veelbelovend voor de denitrificatie in afvalwater. + Verder verkennen

Groene thee gebruiken als reductiemiddel voor de bereiding van nanomaterialen om ammoniak te synthetiseren