Een vleugje rutheniumatomen op een gaas van koperen nanodraden zou een stap kunnen zijn in de richting van een revolutie in de wereldwijde ammoniakindustrie die ook het milieu helpt.
Medewerkers van de George R. Brown School of Engineering van Rice University, de Arizona State University en het Pacific Northwest National Laboratory ontwikkelden de krachtige katalysator die, met een efficiëntie van bijna 100%, ammoniak en vaste ammoniak – ook wel kunstmest genoemd – uit lage niveaus van nitraten die wijdverbreid zijn in industrieel afvalwater en vervuild grondwater.
Een onderzoek onder leiding van Rice chemisch en biomoleculair ingenieur Haotian Wang toont aan dat het proces nitraatniveaus van 2.000 delen per miljoen omzet in ammoniak, gevolgd door een efficiënt gasstripproces voor het verzamelen van ammoniakproducten. Het resterende stikstofgehalte na deze behandelingen kan worden teruggebracht tot “drinkbare” niveaus zoals gedefinieerd door de Wereldgezondheidsorganisatie.
“We hebben een volledig waterdenitrificatieproces voltooid”, zei afgestudeerde student Feng-Yang Chen. “Met verdere waterbehandeling van andere verontreinigingen kunnen we industrieel afvalwater mogelijk weer drinkwater maken.”
Chen is een van de drie hoofdauteurs van het artikel dat in Nature Nanotechnology verschijnt.
De studie toont een veelbelovend alternatief voor efficiënte processen voor een industrie die afhankelijk is van een energie-intensief proces om meer dan 170 miljoen ton ammoniak per jaar te produceren.
advertentie
De onderzoekers wisten uit eerdere studies dat rutheniumatomen de beste zijn in het katalyseren van nitraatrijk afvalwater. Hun draai was het combineren met koper dat de waterstofontwikkelingsreactie onderdrukt, een manier om waterstof te produceren uit water, wat in dit geval een ongewenste bijwerking is.
“We wisten dat ruthenium een goede metaalkandidaat was voor nitraatreductie, maar we wisten ook dat er een groot probleem was, dat het gemakkelijk een concurrerende reactie zou kunnen hebben, namelijk waterstofevolutie,” zei Chen. “Toen we stroom toepasten, zouden veel van de elektronen gewoon naar waterstof gaan, niet naar het product dat we willen.”
“We hebben een concept geleend van andere gebieden, zoals koolstofdioxidereductie, waarbij koper wordt gebruikt om de waterstofontwikkeling te onderdrukken”, voegde Wang eraan toe. “Toen moesten we een manier vinden om ruthenium en koper organisch te combineren. Het blijkt dat het dispergeren van enkele rutheniumatomen in de kopermatrix het beste werkt.”
Het team gebruikte dichtheidsfunctionaaltheorie-berekeningen om uit te leggen waarom rutheniumatomen het chemische pad dat nitraat en ammoniak met elkaar verbindt gemakkelijker te doorkruisen maken, volgens co-corresponderende auteur Christopher Muhich, een assistent-professor chemische technologie aan de staat Arizona.
“Als er alleen ruthenium is, zit het water in de weg,” zei Muhich. “Als er alleen koper is, is er niet genoeg water om waterstofatomen te leveren. Maar op de enkele rutheniumsites concurreert water niet zo goed, het levert net genoeg waterstof zonder plekken in te nemen waar nitraat kan reageren.”
Het proces werkt bij kamertemperatuur en onder omgevingsdruk, en bij wat de onderzoekers een “industrieel relevante” nitraatreductiestroom van 1 amp per vierkante centimeter noemden, de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om de katalysesnelheid te maximaliseren. Dat zou het gemakkelijk moeten maken om op te schalen, zei Chen.
advertentie
“Ik denk dat dit een groot potentieel heeft, maar het is genegeerd omdat het voor eerdere studies moeilijk was om zo’n goede stroomdichtheid te bereiken met behoud van een goede productselectiviteit, vooral bij lage nitraatconcentraties,” zei hij. “Maar nu laten we precies dat zien. Ik ben ervan overtuigd dat we kansen zullen krijgen om dit proces voor industriële toepassingen te pushen, vooral omdat er geen grote infrastructuur voor nodig is.”
Een belangrijk voordeel van het proces is de vermindering van de uitstoot van kooldioxide door de traditionele industriële productie van ammoniak. Deze zijn niet onbelangrijk, goed voor 1,4% van de jaarlijkse uitstoot in de wereld, merkten de onderzoekers op.
“Hoewel we begrepen dat het omzetten van nitraatafval in ammoniak de bestaande ammoniakindustrie op korte termijn misschien niet volledig kan vervangen, zijn we van mening dat dit proces een belangrijke bijdrage kan leveren aan de gedecentraliseerde ammoniakproductie, vooral op plaatsen met hoge nitraatbronnen”, zei Wang. .
Naast de nieuwe studie hebben Wang’s lab en dat van Rice-milieu-ingenieur Pedro Alvarez, directeur van het Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Center, onlangs een paper gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry C waarin het gebruik van kobalt-koper nanodeeltjes op een 3D-beeld wordt beschreven. koolstofvezelpapiersubstraat als een efficiënte katalysator om ammoniak uit nitraatreductie te synthetiseren. Deze goedkope katalysator was ook veelbelovend voor de denitrificatie in afvalwater.
Co-hoofdauteurs van het Nature Nanotechnology-paper zijn Rice postdoctoraal fellow Zhen-Yu Wu en Srishti Gupta, een afgestudeerde student aan de Arizona State University. Co-auteurs zijn afgestudeerde student Daniel Rivera van de staat Arizona; Sten Lambeets van het Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington; onderzoekswetenschapper Guanhui Gao, niet-gegradueerde Stephanie Pecaut, afgestudeerde studenten Jung Yoon Kim en Peng Zhu, en Yimo Han, een assistent-professor materiaalkunde en nano-engineering, bij Rice; Zou Finfrock, Hua Zhou en Wenqian Xu van Argonne National Laboratory, Lemont, Illinois; Debora Motta Meira en Graham King van Canadian Light Source, Saskatoon, Saskatchewan; en David Cullen van het Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee.
Daniel Perea van het Pacific Northwest-lab is een co-corresponderende auteur van het artikel. Wang is de William March Rice Trustee Chair en een assistent-professor in chemische en biomoleculaire engineering.
Het National Science Foundation Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology Enabled Water Treatment (1449500) en de Welch Foundation (C-2051-20200401, C-2065-20210327) ondersteunden het onderzoek.
lees het gehele artikel bij de bron
Samenvatting: Ingenieurs hebben een hoogwaardige nanodraadkatalysator ontwikkeld die ammoniak en vaste ammoniak (kunstmest) uit nitraat haalt, een veelvoorkomende verontreiniging in industrieel afvalwater en vervuild grondwater.
Datum van publicatie: 3 mei 2022
Bron: Technologie | Top technologienieuws — ScienceDaily