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变废为宝!美科学家研发全新工艺 可用阳光和废水制造全球第二大化学品
据悉,UIC科学家开发了一种新方法,利用硝酸盐(最常见的地下水污染物之一)来提供氮,再加上光伏能量,从而产生化学反应。整个系统产生的氨气几乎为100%,氢气副反应几乎为零。

财联社(上海,编辑 黄君芝)讯,据报道,伊利诺伊大学芝加哥分校(University of Illinois Chicago,简称UIC)发明了一种太阳能电化学反应,它不仅能利用废水制造氨,这是世界上产量第二大的化学物质,而且还实现了很高的太阳能转化燃料效率,比其他类似技术都高出10倍。

UIC工程学院化学工程助理教授、首席研究员Meenesh Singh说,“这项技术和我们的创新方法在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,以及在减少化石燃料产生的温室气体方面会产生巨大影响。”

氨是一个氮原子和三个氢原子的组合,是肥料和许多工业产品的关键化合物,如塑料和药品。目前利用氮制成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。这个有百年历史的化学反应过程,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,Singh和他的同事开发了一种环保的方法,通过在水基溶液中通过带电且催化剂覆盖的筛网过滤纯氮气,从而制造氨。这个反应只使用了少量的化石燃料能量来给筛网通电,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,再加上光伏提供能量。该系统产生的氨气几乎为100%,氢气副反应几乎为零。

此外,该反应既不需要化石燃料,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,这比其他最先进的系统生产氨高出10倍。该研究成果已于近日发表在了《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)杂志上。

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。

Singh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。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。”他补充说。

事实上,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。研究人员自豪地说,“我们都为这一成就感到激动,但我们不会就此止步。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。”

责编 | 林琦
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