过程中氨污染废水和提供有用的化学物质

少许钌原子在一个网状的铜纳米线可能是一步一场革命在全球氨行业还有助于环境。

莱斯大学的合作者乔治·r·布朗工程学院,亚利桑那州立大学和西北太平洋国家实验室开发的高性能催化剂,以100%的效率,把氨和固体氨——即肥料——从低水平的硝酸盐广泛的工业废水和污染地下水。

一项研究由水稻化学和生物分子工程浩田王显示了转换过程硝酸2000 ppm成氨的水平,其次是有效的气提过程氨产品集合。这些治疗后剩余的氮含量可以降到“饮用”水平,由世界卫生组织定义的。

“我们实现一个完整的水脱氮过程,”研究生Feng-Yang Chen说。“与其他污染物进一步水处理,我们可以将工业废水回饮用水。”

陈的三位主要作者之一出现在的纸自然纳米技术。

这项研究显示了一个有前途的替代向高效的一个行业,取决于一个流程能源密集型的过程每年生产超过1.7亿吨的氨气。

研究人员从先前的研究中得知,在含催化硝酸盐废水钌原子是冠军。他们的扭曲结合铜抑制了析氢反应一种从水产生氢气,在这种情况下是一个不必要的副作用。

”我们知道钌金属是一个很好的候选人硝酸盐减少,但我们也知道有一个大问题,它很可能会有一个竞争反应,氢进化,”陈说。“当我们应用当前,很多的电子就会去氢,不是我们想要的产品。”

“我们借了一个概念等其他领域的二氧化碳减少,使用铜抑制氢进化,”王说。“然后我们必须找到一种方法有机结合钌和铜。原来分散单一钌原子铜矩阵最好的工作。”

该团队使用密度泛函理论计算解释为什么钌原子的化学路径连接硝酸盐和氨容易交叉,根据共同通讯作者Christopher Muhich亚利桑那州立大学化学工程助理教授。

“当只有钌,水的方式,“Muhich说。“只有铜的时候,没有足够的水来提供氢原子。但单一钌网站水不竞争,提供足够的氢不占用地方硝酸反应。”

这个过程在室温下工作,在环境的压力下,在研究人员称为“industrial-relevant”硝酸盐还原当前1安培/平方厘米,所需数量的电催化率最大化。这应该很容易扩大,陈表示。

“我认为这有很大的潜力,但它是被忽略了,因为它是被先前的研究很难达到这样的电流密度,同时仍然保持良好的产品选择性好,特别是在低硝酸盐浓度,”他说。“但是现在我们展示。我相信我们会有机会推动这个过程的工业应用,尤其是因为它不需要大型基础设施。”

过程的主要好处是减少二氧化碳排放量从传统工业生产的氨。这些不是无关紧要的,占世界上1.4%的年度排放,研究人员指出。

“虽然我们明白硝酸废物转化为氨氨可能无法完全取代现有的产业在短期内,我们相信这个过程可以分散氨生产作出重大贡献,特别是在地方高硝酸盐来源,”王说。

在新的研究中,王的实验室环境工程师和米饭阿尔瓦雷斯主任纳米技术使水处理(纽特)中心,最近发表了一篇论文物理化学学报C详细的使用cobalt-copper纳米粒子在三维碳纤维纸基质作为高效催化剂合成硝酸还原氨。这种低成本的催化剂也表现出极大的承诺在废水脱氮。

位联席的作者自然纳米技术纸是大米博士后振宇吴Srishti Gupta,亚利桑那州立大学的一名研究生。合作者是亚利桑那州立大学的丹尼尔·里维拉研究生;Sten Lambeets太平洋西北国家实验室,里奇兰,华盛顿;研究科学家Guanhui高,本科斯蒂芬妮·佩科,研究生荣格Yoon金朱、彭,一摸汉,材料科学和纳米工程助理教授,在水稻;邹Finfrock,华周和Wenqian徐阿贡国家实验室,Lemont,伊利诺斯州;黛博拉莫塔梅拉和格雷厄姆王加拿大光源,萨斯卡通,萨斯喀彻温省;橡树岭国家实验室的大卫·卡伦,田纳西州的橡树岭。

丹尼尔·佩雷亚的太平洋西北实验室共同通讯作者的论文。威廉王是3月大米主委,化学和生物分子工程学的助理教授。

美国国家科学基金会纳米系统工程研究中心纳米技术使水处理(1449500)和韦尔奇基金会(c - 2051 - 20200401, c - 2065 - 20210327)支持这项研究。

参考:陈财政年度,吴ZY Gupta年代,et al。低浓度硝酸盐来源有效转化为氨在Ru-dispersed铜纳米线electrocatalyst。Nat Nanotechnol。2022年。doi:10.1038 / s41565 - 022 - 01121 - 4

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