5月5日消息，莱斯大学的工程师设计了一种铜网中的钌原子催化剂，用于从废水中提取氨气和肥料。该工艺还将减少传统工业生产氨的二氧化碳排放量。
铜纳米线上的少量钌原子可能是全球氨工业革命的一步，这也有助于环境。
莱斯大学乔治 R. 布朗工程学院、亚利桑那州立大学和太平洋西北国家实验室的合作者开发了一种高性能催化剂，该催化剂可以以接近 100% 的效率从低水平的硝酸盐中提取氨气和固体氨（又名肥料），广泛存在于工业废水和受污染的地下水中。
图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学
赖斯化学和生物分子工程师 Haotian Wang 领导的一项研究表明，该过程将2,000 ppm 的硝酸盐水平转化为氨，然后是用于氨产品收集的有效气体汽提过程。这些处理后剩余的氮含量可以降低到世界卫生组织定义的“可饮用”水平。
“我们完成了一个完整的水反硝化过程，”研究生陈凤阳说：“通过对其他污染物进行进一步的水处理，我们有可能将工业废水转化为饮用水。”
陈是出现在Nature Nanotechnology上的论文的三位主要作者之一。
氯化铵（左）和液氨是莱斯大学工程师开发的一种催化剂的产物，用于将废水转化为有用的化学品。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学
该研究表明，对于一个依赖能源密集型工艺以每年生产超过 1.7 亿吨氨的行业来说，这是一种有希望的高效工艺替代方案。
研究人员从之前的研究中了解到，钌原子是催化富含硝酸盐废水的冠军。他们的转折是将它与抑制析氢反应的铜结合起来，这是一种从水中产生氢气的方法，在这种情况下是一种不需要的副作用。
“我们知道钌是还原硝酸盐的良好金属候选者，但我们也知道存在一个大问题，即它很容易发生竞争反应，即析氢反应，”陈说：“当我们施加电流时，很多电子只会变成氢，而不是我们想要的产品。”
“我们从其他领域借用了一个概念，比如二氧化碳还原，它使用铜来抑制氢的析出，”王补充道：“然后我们必须找到一种将钌和铜有机结合的方法。事实证明，将单个钌原子分散到铜基体中效果最好。”
根据共同通讯作者、亚利桑那州立大学化学工程助理教授克里斯托弗·穆希奇的说法，该团队使用密度泛函理论计算来解释为什么钌原子使连接硝酸盐和氨的化学路径更容易穿过。
博士后研究员Zhen-Yu Wu（左）和研究生Feng-Yang Chen 在他们的莱斯大学实验室进行了一项实验，从硝酸盐含量低的废水模型中提取氨和固体氨（也称为肥料）。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学
“当只有钌时，水就会阻碍，”穆希奇说：“当只有铜时，没有足够的水来提供氢原子。但在单一的钌位点上，水也不会竞争，提供足够的氢而不会占用硝酸盐反应的位点。”
该过程在室温和环境压力下工作，研究人员称之为“工业相关”硝酸盐还原电流为每平方厘米 1 安培，即最大化催化速率所需的电量，而且这应该很容易扩大规模。
“我认为这有很大的潜力，但它被忽略了，因为以前的研究很难达到如此好的电流密度，同时仍然保持良好的产品选择性，特别是在低硝酸盐浓度下，”他说：“但现在我们正在证明这一点。我相信我们将有机会将这一过程推向工业应用，特别是因为它不需要大型基础设施。”
该工艺的一个主要好处是减少了传统工业生产氨的二氧化碳排放量。研究人员指出，这些并非微不足道，占世界年排放量的 1.4%。
“虽然我们知道将硝酸盐废物转化为氨可能无法在短期内完全取代现有的氨工业，但我们相信这个过程可以为分散的氨生产做出重大贡献，特别是在硝酸盐来源高的地方，”王说.
除了这项新研究之外，Wang 的实验室和 Rice 环境工程师 Pedro Alvarez 的实验室，他是纳米技术支持水处理 (NEWT) 中心的主任，最近在物理化学 C 杂志上发表了一篇论文，详细介绍了钴铜纳米粒子在 3D 上的使用碳纤维纸基材作为硝酸盐还原合成氨的有效催化剂。这种低成本的催化剂也显示出用于废水脱硝的巨大前景。
