首席研究員、UIC 工程學(xué)院化學(xué)工程助理教授 Meenesh Singh 說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)和我們的方法在允許按需合成肥料方面有很大的潛力，并可能對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家的農(nóng)業(yè)和能源部門，以及對(duì)減少化石燃料產(chǎn)生的溫室氣體的努力產(chǎn)生巨大影響”。
氨是一個(gè)氮原子和三個(gè)氫原子的組合，是化肥和許多制成品（如塑料和藥品）的一種關(guān)鍵化合物。目前用氮?dú)庵圃彀钡姆椒ㄐ枰紵剂袭a(chǎn)生的大量熱量，以打破氮原子之間的強(qiáng)鍵，使它們能夠與氫氣結(jié)合。這個(gè)有百年歷史的過(guò)程產(chǎn)生了全球溫室氣體排放的很大一部分，這是氣候變化的驅(qū)動(dòng)力。
此前，辛格和他的同事開(kāi)發(fā)了一種環(huán)境友好的方法，通過(guò)在水基溶液中用帶電的、覆蓋著催化劑的網(wǎng)篩過(guò)濾純氮?dú)鈦?lái)制造氨。這種反應(yīng)只使用了極少量的化石燃料能源來(lái)電化網(wǎng)屏，從而分解氮原子，但它產(chǎn)生的氫氣（80%）多于氨氣（20%）。
現(xiàn)在，研究人員在該基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，并開(kāi)發(fā)出了一種新的方法。它們利用硝酸鹽（最常見(jiàn)的地下水污染物之一）來(lái)提供氮?dú)猓⒗锰?yáng)光來(lái)電化反應(yīng)。該系統(tǒng)產(chǎn)生近 100% 的氨，氫氣副反應(yīng)幾乎為零。該反應(yīng)不需要化石燃料，也不產(chǎn)生二氧化碳或其他溫室氣體，其對(duì)太陽(yáng)能的利用產(chǎn)生了前所未有的太陽(yáng)能-燃料效率，即STF，為 11%，比任何其他生產(chǎn)氨的先進(jìn)系統(tǒng)（約1%的STF）好10倍。
這種新方法依賴于一種鈷催化劑，研究人員在他們發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》雜志上的論文《太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的電化學(xué)合成氨，在環(huán)境條件下具有11%的太陽(yáng)能-燃料效率》中描述了這種催化劑和新工藝。
為了確定催化劑，研究人員首先應(yīng)用計(jì)算理論來(lái)預(yù)測(cè)哪種金屬的效果最好。在通過(guò)這些模型確定了鈷之后，研究小組對(duì)這種金屬進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，嘗試用不同的方法來(lái)優(yōu)化其在反應(yīng)中的活性。研究人員發(fā)現(xiàn)，由氧化產(chǎn)生的粗糙的鈷表面在創(chuàng)造一個(gè)具有選擇性的反應(yīng)方面效果最好，這意味著它幾乎將所有的硝酸鹽分子轉(zhuǎn)化為氨。
辛格說(shuō)：“使用廢水硝酸鹽意味著我們還必須從地表和地下水中清除污染物。隨著時(shí)間的推移，這意味著這個(gè)過(guò)程可能同時(shí)有助于糾正工業(yè)廢物和徑流水，并重新平衡氮循環(huán)，特別是在農(nóng)村地區(qū)，這些地區(qū)可能會(huì)經(jīng)歷經(jīng)濟(jì)上的不利因素，或承擔(dān)著接觸過(guò)量硝酸鹽的最大風(fēng)險(xiǎn)”。
他繼續(xù)說(shuō)道：“我們都對(duì)這一成就感到非常興奮，而且我們不會(huì)在此止步。我們希望我們很快就會(huì)有一個(gè)更大的原型，我們可以在更大的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，我們已經(jīng)在與市政公司、污水處理中心和行業(yè)內(nèi)其他機(jī)構(gòu)合作，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)”。
