结合阳光和废水硝酸盐，制造世界第二大化学品

伊利诺伊大学芝加哥分校的工程师创造了一种太阳能电化学反应，该反应不仅使用废水来制造氨——世界上产量第二大的化学物质——而且还实现了 10 倍的太阳能燃料效率优于任何其他同类技术。

他们的发现发表在《能源与环境科学》上。

“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，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，”首席研究员说UIC工程学院化学工程助理教授Meenesh Singh。

氨是一个氮原子和三个氢原子的组合，是肥料和许多制成品(如塑料和药品)的关键化合物。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来破坏氮原子之间的强键，以便它们与氢结合。这个具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，这是气候变化的驱动力。

此前，Singh 和他的同事开发了一种环保方法，通过在水基溶液中通过带电、覆盖催化剂的网筛过滤纯氮气来制造氨。这个反应只使用了少量的化石燃料能量来使屏幕通电，从而分解氮原子，但它产生的氢气(80%)比氨气(20%)多。

现在，研究人员改进了这一概念并开发了一种新方法，该方法使用最常见的地下水污染物之一硝酸盐来提供氮气和阳光以使反应带电。该系统产生几乎 100% 的氨，氢气副反应几乎为零。该反应不需要化石燃料，也不会产生二氧化碳或其他温室气体，而且它使用太阳能产生了前所未有的太阳能燃料效率(STF)，达到 11%，比任何其他状态高出 10 倍。 - 生产氨的最先进系统(约 1% STF)。

新方法取决于钴催化剂，研究人员在他们的论文“太阳能驱动氨的太阳能电化学合成中描述了钴催化剂，在环境条件下具有 11% 的太阳能燃料效率”。

为了识别催化剂，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，该团队对这种金属进行了实验，尝试了不同的方法来优化其在反应中的活性。研究人员发现，氧化产生的粗糙钴表面最能产生选择性反应，这意味着它将几乎所有的硝酸盐分子转化为氨。

“找到一种在太阳能系统中起作用的活性、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合成氨是可能的，”辛格说。

不仅反应本身是碳中性的，这对环境有好处，而且如果该系统是为工业用途而开发的，它还可能对环境产生几乎净负的恢复作用。

“使用废水硝酸盐意味着我们还必须去除地表水和地下水中的污染物。随着时间的推移，这意味着该过程可能同时有助于纠正工业废物和径流水并重新平衡氮循环，特别是在可能遇到经济不利或经济困难的农村地区。高暴露于过量硝酸盐的风险最大，”辛格说。

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

“我们都对这一成就感到非常兴奋，我们并没有就此止步。我们希望我们很快就会有一个更大的原型，我们可以用它来测试更大的规模，”已经与市政公司合作的 Singh 说，废水处理中心和其他业内人士对进一步开发该系统进行了讨论。

UIC技术管理办公室已为新工艺申请了专利。

该论文的共同作者是 UIC 的 Nishithan Kani 和 Aditya Parajapati、德克萨斯理工大学的 Joseph Gauthier、西北大学的 Jane Edgington 和 Linsey Seitz、Warren Township 高中的 Isha Bordawekar、Worldwide Liquid Sunshine 的 Windom Shields 和 Mitchell Shields，以及陶氏公司的 Aayush Singh