محققان WPI ماده ای را برای حذف اوره از آب و تبدیل آن به گاز هیدروژن ساخته اند. با ساختن این مواد از اتم‌های نیکل و کبالت با ساختارهای الکترونیکی که به دقت طراحی شده‌اند، این گروه پتانسیل را برای فعال کردن این اکسیدها و هیدروکسیدهای فلزات واسطه برای اکسید کردن انتخابی اوره در یک واکنش الکتروشیمیایی باز کرده است.
این مطالعه به رهبری Xiaowei Teng، استاد مهندسی شیمی جیمز اچ. منینگ در WPI، اخیراً در مجله Physical Chemistry Letters منتشر شد و در جلد اول مکمل این نشریه برجسته شد.
چالش حذف اوره از آب
اوره یک کود نیتروژن ارزان قیمت برای کشاورزی و یک محصول طبیعی از متابولیسم انسان است. رواناب های کشاورزی غنی از اوره و تخلیه فاضلاب شهری باعث شکوفه های جلبکی مضر برای اوتروفیکاسیون و مناطق مرده هیپوکسیک می شود که بر محیط آبی و سلامت انسان تأثیر منفی می گذارد.
در عین حال، ویژگی‌های منحصربه‌فرد اور ه، آن را به یک محیط ذخیره‌سازی هیدروژن بالقوه تبدیل می‌کند که می‌تواند تولید هیدروژن بر حسب تقاضا را ارائه دهد. به عنوان مثال، اوره غیر سمی است، حلالیت آب بالایی دارد و محتوای هیدروژن بالایی دارد (6.7 درصد وزنی). بنابراین، الکترولیز اوره برای تولید هیدروژن از نظر انرژی کارآمدتر و مقرون به صرفه تر از الکترولیز آب است.
ضعف الکترولیز اوره همیشه نبود الکتروکاتالیست‌های کم‌هزینه و بسیار کارآمد بوده است که به‌جای آب، اوره را به‌طور انتخابی اکسید می‌کنند، اما Teng و تیمش راه‌حلی پیدا کرده‌اند: ساخت الکتروکاتالیست‌هایی متشکل از اتم‌های نیکل و کبالت که با ساختارهای الکترونیکی منحصربه‌فرد تعامل دارند. برای الکترواکسیداسیون انتخابی اوره
باز کردن انتخاب و فعالیت پیشرفته
مطالعه تیم WPI بر روی اکسیدها و هیدروکسیدهای نیکل و کبالت همگن متمرکز بود. محققان دریافتند که کلید افزایش فعالیت الکتروشیمیایی و گزینش پذیری آن برای اکسیداسیون اوره در ایجاد ساختارهای الکترونیکی منحصر به فرد با گونه های غالب Ni2+ و Co3+ نهفته است.
“این پیکربندی الکترونیکی یک عامل محوری برای بهبود گزینش پذیری اکسیداسیون او ره است، زیرا مشاهده می کنیم که ظرفیت نیکل بالاتر، مانند Ni3+، در واقع به تولید یک واکنش سریع با خروجی جریان الکتریکی قوی کمک می کند؛ با این حال، بخش زیادی از جریان از آب ناخواسته بود. اکسایش، “تنگ گفت.
برای درک بهتر این اثر، گروه Teng با Aaron Deskins، استاد مهندسی شیمی در WPI همکاری کردند. دسکینز شبیه‌سازی‌های محاسباتی را انجام داد و دریافت که اختلاط همگن اکسیدها و هیدروکسیدهای نیکل و کبالت به توزیع مجدد الکترون از گونه‌های Ni2+ به Co3+ و انتقال الکترون‌های ظرفیت به انرژی بالاتر کمک می‌کند، بنابراین کاتالیزورهای Ni/Co برای مشارکت در پیوند با مولکول های اور ه و آب آماده‌تر هستند.
برنامه های کاربردی و چشم انداز آینده
کود نیتروژن اصلی و افزودنی خوراک، ا وره به صورت تجاری در اوایل دهه 1920 تولید شد. حدود 180 میلیون تن متریک در سال 2021 تولید شد. ا وره را می توان از منابع طبیعی به دست آورد. یک انسان بالغ روزانه 1.5 لیتر ادرار تولید می کند که معادل 11 کیلوگرم اوره و 0.77 کیلوگرم گاز هیدروژن در سال است.
یافته‌های این تیم می‌تواند به استفاده از اور ه در جریان‌های زباله برای تولید موثر سوخت هیدروژن از طریق فرآیند الکترولیز کمک کند، و می‌تواند برای جدا کردن او ره از آب، حفظ پایداری طولانی‌مدت سیستم‌های اکولوژیکی و متحول کردن رابطه آب و انرژی استفاده شود.
این کار توسط بنیاد ملی علوم تحت شماره جایزه 2236704 پشتیبانی شد.
