Если текущий метод производства чего-либо потребляет ошеломляющие 1–2 % годового мирового энергоснабжения, нужно что-то менять. Процесс Габера — Боша позволяет производить большое количество аммиака (NH3) — ценного химического соединения, которое широко используется в сельском хозяйстве, технологиях и фармацевтике, — при этом потребляя много энергии.
Исследовательская группа из Университета Тохоку внесла значительный вклад в разработку альтернативного метода преобразования вредных нитратных загрязнителей в воде в аммиак, что позволяет решить как экологические, так и энергетические проблемы. Команда предлагает эффективный метод очистки загрязнённой воды с помощью катализаторов на основе двойного гидроксида NiCuFe (LDH). Это означает, что вода станет чище, уровень загрязнения снизится, а удобрения и энергетические ресурсы станут более экологичными, что напрямую повлияет на здоровье населения, продовольственную безопасность и защиту климата.
В настоящее время процесс Габера — Боша используется для производства почти всего промышленного аммиака в мире, но у него есть серьёзные недостатки. Он не только потребляет огромное количество энергии, но и в качестве побочного продукта выделяет углекислый газ, что вредит окружающей среде.
Электрокаталитическая реакция восстановления нитрата (NO3−) (NitRR) — это альтернативный способ производства аммиака, который существует уже давно, но так и не получил широкого распространения из-за неэффективности. Однако исследователи из Института материаловедения Университета Тохоку (WPI-AIMR) нашли способ решить эту проблему.
«Мы создали нанолисты NiCuFe-LDH с участками Ni и Cu для электровосстановления, — объясняет профессор Хао Ли (WPI-AIMR). — Эффективность NitRR выросла с 0% до 94,8 %».
Ученые использовали вычислительный и теоретический анализ, чтобы объяснить механизм этой реакции, в которой ключевую роль играют добавленные участки Cu и Ni. Кроме того, они протестировали батарею Zn-NO3− с использованием нанолистов NiCuFe-LDH, чтобы продемонстрировать её реальную эффективность. Батарея показала очень хорошие результаты: эффективность по Фарадею составила 85,8 %, был получен высокий выход аммиака, а удельная мощность была настолько высокой, что превзошла большинство предыдущих показателей.
Следующие шаги в рамках проекта будут направлены на масштабирование и углубление понимания механизма процесса. С практической точки зрения необходимо проверить эффективность катализатора в реальных системах водоснабжения, загрязненных нитратами, и в условиях реактора с непрерывным потоком, чтобы продемонстрировать его промышленную применимость.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
[Фото: ©Yuan Wang et al. / Tohoku University]
