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伊利诺伊大学芝加哥分校的工程师们创造了一种太阳能电化学反应
时间:2021-09-14 10:17:22

伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)的工程师们创造了一种太阳能电化学反应,它不仅利用废水制造氨(世界上产量第二大的化学品),而且还实现了太阳能到燃料的效率,比任何其他可比技术好 10 倍。 他们的研究结果发表在《能源与环境科学》上,这是一本研究能源输送和环境保护交叉问题的顶级期刊。

首席研究员、UIC 工程学院化学工程助理教授 Meenesh Singh 说:“这项技术和我们的方法在允许按需合成肥料方面有很大的潜力,并可能对发达国家和发展中国家的农业和能源部门,以及对减少化石燃料产生的温室气体的努力产生巨大影响”。

氨是一个氮原子和三个氢原子的组合,是化肥和许多制成品(如塑料和药品)的一种关键化合物。目前用氮气制造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,使它们能够与氢气结合。这个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,辛格和他的同事开发了一种环境友好的方法,通过在水基溶液中用带电的、覆盖着催化剂的网筛过滤纯氮气来制造氨。这种反应只使用了极少量的化石燃料能源来电化网屏,从而分解氮原子,但它产生的氢气(80%)多于氨气(20%)。

现在,研究人员在该基础上进一步改进,并开发出了一种新的方法。它们利用硝酸盐(最常见的地下水污染物之一)来提供氮气,并利用太阳光来电化反应。该系统产生近 100% 的氨,氢气副反应几乎为零。该反应不需要化石燃料,也不产生二氧化碳或其他温室气体,其对太阳能的利用产生了前所未有的太阳能-燃料效率,即STF,为 11%,比任何其他生产氨的先进系统(约1%的STF)好10倍。

这种新方法依赖于一种钴催化剂,研究人员在他们发表在《能源与环境科学》杂志上的论文《太阳能驱动的电化学合成氨,在环境条件下具有11%的太阳能-燃料效率》中描述了这种催化剂和新工艺。

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的效果最好。在通过这些模型确定了钴之后,研究小组对这种金属进行了实验,尝试用不同的方法来优化其在反应中的活性。研究人员发现,由氧化产生的粗糙的钴表面在创造一个具有选择性的反应方面效果最好,这意味着它几乎将所有的硝酸盐分子转化为氨。

辛格说:“使用废水硝酸盐意味着我们还必须从地表和地下水中清除污染物。随着时间的推移,这意味着这个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,特别是在农村地区,这些地区可能会经历经济上的不利因素,或承担着接触过量硝酸盐的最大风险”。

他继续说道:“我们都对这一成就感到非常兴奋,而且我们不会在此止步。我们希望我们很快就会有一个更大的原型,我们可以在更大的范围内进行测试,我们已经在与市政公司、污水处理中心和行业内其他机构合作,进一步开发该系统”。

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