Phản ứng điện hóa sử dụng năng lượng mặt trời sử dụng nước thải để làm hóa chất số 2 thế giới

Các kỹ sư của UIC chuyển đổi nitrat thành amoniac trong phản ứng điện hóa bền vững với hiệu suất năng lượng mặt trời thành nhiên liệu cao.

Các kỹ sư tại Đại học Illinois Chicago đã tạo ra một phản ứng điện hóa sử dụng năng lượng mặt trời không chỉ sử dụng nước thải để tạo ra amoniac – hóa chất được sản xuất nhiều thứ hai trên thế giới – mà còn đạt được hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời thành nhiên liệu tốt hơn 10 lần so với bất kỳ công nghệ có thể so sánh khác.

Phát hiện của họ được công bố trên Tạp chí Năng lượng & Khoa học Môi trường , một tạp chí hàng đầu dành cho nghiên cứu về điểm giao thoa giữa cung cấp năng lượng và bảo vệ môi trường.

Trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Công nghệ này và phương pháp của chúng tôi có tiềm năng lớn trong việc cho phép tổng hợp phân bón theo yêu cầu và có thể có tác động to lớn đến các ngành nông nghiệp và năng lượng ở các nước phát triển và đang phát triển, cũng như nỗ lực giảm thiểu khí nhà kính từ nhiên liệu hóa thạch. Meenesh Singh, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học tại Đại học Kỹ thuật UIC.

Amoniac, sự kết hợp của một nguyên tử nitơ và ba nguyên tử hydro, là một hợp chất chính của phân bón và nhiều sản phẩm được sản xuất, như nhựa và dược phẩm. Các phương pháp hiện tại để sản xuất amoniac từ nitơ đòi hỏi một lượng nhiệt khổng lồ, được tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch, để phá vỡ các liên kết bền vững giữa các nguyên tử nitơ để chúng có thể liên kết với hydro. Quá trình kéo dài hàng thế kỷ này tạo ra một phần đáng kể lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính toàn cầu, là động lực của biến đổi khí hậu.

Trước đây, Singh và các đồng nghiệp của ông đã phát triển một phương pháp thân thiện với môi trường để tạo ra amoniac bằng cách lọc khí nitơ tinh khiết thông qua một màn lưới phủ chất xúc tác tích điện trong một dung dịch gốc nước. Phản ứng này chỉ sử dụng một lượng nhỏ năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch để điện khí hóa màn hình, phá vỡ các nguyên tử nitơ, nhưng nó tạo ra nhiều khí hydro (80%) hơn amoniac (20%).

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã cải tiến khái niệm này và phát triển một phương pháp mới sử dụng nitrat, một trong những chất gây ô nhiễm nước ngầm phổ biến nhất, cung cấp nitơ và ánh sáng mặt trời để điện phân phản ứng. Hệ thống tạo ra gần 100% amoniac với các phản ứng phụ gần như bằng không khí hydro. Phản ứng này không cần nhiên liệu hóa thạch và không tạo ra carbon dioxide hoặc các khí nhà kính khác và việc sử dụng năng lượng mặt trời mang lại hiệu suất từ năng lượng mặt trời thành nhiên liệu chưa từng có, hoặc STF, là 11%, tốt hơn 10 lần so với bất kỳ trạng thái nào khác – hệ thống nghệ thuật để sản xuất amoniac (khoảng 1% STF).

Phương pháp mới dựa trên chất xúc tác coban, được các nhà nghiên cứu mô tả cùng với quy trình mới trong bài báo của họ, “Tổng hợp điện hóa bằng năng lượng mặt trời của Amoniac sử dụng Nitrat với 11% Hiệu suất năng lượng mặt trời thành nhiên liệu ở các điều kiện xung quanh,” được xuất bản trên tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trường .

Để xác định chất xúc tác, đầu tiên các nhà nghiên cứu áp dụng lý thuyết tính toán để dự đoán kim loại nào sẽ hoạt động tốt nhất. Sau khi xác định coban thông qua các mô hình này, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm với kim loại này, thử các cách khác nhau để tối ưu hóa hoạt tính của nó trong phản ứng. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng bề mặt coban thô ráp có nguồn gốc từ quá trình oxy hóa hoạt động tốt nhất để tạo ra một phản ứng có chọn lọc, có nghĩa là nó chuyển đổi gần như tất cả các phân tử nitrat thành amoniac.

Singh nói: “Việc tìm ra một chất xúc tác hoạt động, có chọn lọc và ổn định hoạt động trong một hệ thống sử dụng năng lượng mặt trời là bằng chứng mạnh mẽ cho thấy có thể tổng hợp bền vững amoniac ở quy mô công nghiệp.

Bản thân phản ứng không chỉ là carbon trung tính, tốt cho môi trường, mà nếu hệ thống được phát triển để sử dụng trong công nghiệp, nó cũng có thể có tác dụng phục hồi gần như tiêu cực đối với môi trường.

“Sử dụng nitrat trong nước thải có nghĩa là chúng ta cũng phải loại bỏ chất gây ô nhiễm khỏi nước mặt và nước ngầm. Theo thời gian, điều này có nghĩa là quá trình này có thể đồng thời giúp xử lý chất thải công nghiệp và nước chảy tràn, đồng thời tái cân bằng chu trình nitơ, đặc biệt ở các vùng nông thôn có thể gặp bất lợi về kinh tế hoặc chịu rủi ro lớn nhất do tiếp xúc nhiều với nitrat dư thừa, ”Singh nói.

Tiếp xúc nhiều với nitrat qua nước uống có liên quan đến các tình trạng sức khỏe như ung thư, bệnh tuyến giáp, sinh non và nhẹ cân.

“Tất cả chúng tôi đều rất vui mừng với thành tích này, và chúng tôi không dừng lại ở đây. Chúng tôi hy vọng rằng chúng tôi sẽ sớm có một nguyên mẫu lớn hơn mà chúng tôi có thể thử nghiệm ở quy mô lớn hơn nhiều, ”Singh, người đã hợp tác với các tập đoàn thành phố, trung tâm xử lý nước thải và những người khác trong ngành để phát triển hệ thống hơn nữa.

Tham khảo: “Tổng hợp amoniac điện hóa dựa trên năng lượng mặt trời sử dụng nitrat với hiệu suất năng lượng mặt trời thành nhiên liệu 11% ở điều kiện môi trường xung quanh” của Nishithan C. Kani, Joseph A. Gauthier, Aditya Prajapati, Jane Edgington, Isha Bordawekar, Windom Shields, Mitchell Shields , Linsey C. Seitz, Aayush R. Singh và Meenesh R. Singh, 7 Spetember 2021, Khoa học Năng lượng & Môi trường .
DOI: 10.1039 / D1EE01879E

Văn phòng Quản lý Công nghệ UIC đã nộp bằng sáng chế cho quy trình mới.

Đồng tác giả của bài báo là Nishithan Kani và Aditya Parajapati của UIC, Joseph Gauthier của Đại học Công nghệ Texas, Jane Edgington và Linsey Seitz của Đại học Northwestern , Isha Bordawekar của Trường Trung học Thị trấn Warren, Windom Shields và Mitchell Shields của Worldwide Liquid Sunshine, và Aayush Singh của Dow Inc.

Theo Scitechdaily