2022年5月3日亚历克斯·史密斯（Alex Smith）审查
铜纳米线网络上的钌原子可能是转变国际氨行业的重要一步，该行业也支持环境。
赖斯大学工程师设计了一种铜网中唯一原子的催化剂，以从废水中提取氨和肥料。该过程还将减少传统工业生产氨的二氧化碳排放。图片来源：Jeff Fitlow。
研究人员在莱斯大学’s George R. Brown School of Engineering, Pacific Northwest National Laboratory, and Arizona State University created the high-performance catalyst that is capable of, with almost 100% efficiency, extracting ammonia and solid ammonia — also known as fertilizer — from low quantities of nitrates that are extensive in polluted groundwater and industrial wastewater.
赖斯大学的化学和生物分子工程师Haotian Wang指导的一项研究表明，该过程将硝酸盐水平转化为每百万分之2,000份的氨水，然后将有效的氨水剥离工艺用于氨收集。如世界卫生组织所规定的那样，这些处理后的残留氮含量可以降低至“可饮用”水平。
我们实现了一个完整的水消水化过程。通过对其他污染物进行进一步的水处理，我们可以将工业废水转移回饮用水。
莱斯大学研究生兼学习首席作者方杨陈
陈是该研究中报告的三位主要作者之一自然纳米技术。
该研究表明，对于一个依靠能源浓缩过程来创造超过1.7亿吨氨的行业的有效流程的有利替代品。
从较早的研究中，科学家们知道，唯一原子在催化硝酸盐含有的废水方面非常出色。然而，它们的扭曲涉及将铜合并，从而制造了氢进化反应，这是从水中产生氢的过程，在这种情况下，这是不必要的副作用。
我们知道唯一是减少硝酸盐的良好金属候选者，但我们也知道有一个很大的问题，它很容易产生相互竞争的反应，即氢的进化。当我们应用电流时，许多电子将仅用于氢，而不是我们想要的产品。
莱斯大学研究生兼学习首席作者方杨陈
“我们从其他领域借用了诸如二氧化碳还原等其他领域的概念，该领域使用铜来抑制氢的演化”添加了王。“然后，我们必须找到一种有机混合唯一和铜的方法。事实证明，将单个唯一原子分散到铜矩阵中的最佳状态。”
亚利桑那州立大学化学工程助理教授克里斯托弗·穆希奇（Christopher Muhich）表示，研究人员使用密度功能理论计算来描述钌原子的原因，使氨和硝酸盐更容易穿越的化学路径。
当只有唯一的水时，水就会陷入困境。如果只有铜，则没有足够的水提供氢原子。但是，在单钌地点，水也没有竞争，只提供足够的氢，而无需占据硝酸盐的反应。
克里斯托弗·穆希奇（Christopher Muhich
该方法在环境温度和环境压力下工作，科学家称其为“工业相关”的硝酸盐还原电流为每平方厘米1安培，这是提高催化速率所需的电量。陈说，这应该使它容易扩展。
我认为这具有巨大的潜力，但是它被忽略了，因为以前的研究很难达到如此良好的电流密度，同时仍然保持良好的产品选择性，尤其是在低硝酸盐浓度下。但是现在我们正在证明这一点。我相信我们将有机会为工业应用推动这一过程，尤其是因为它不需要大型基础架构。
莱斯大学研究生兼学习首席作者方杨陈
该方法的一个关键优势是氨的常规工业生产减少了二氧化碳排放。科学家观察到，这些并不是微不足道的数量，因为它们总计的1.4％是全球年度排放。
“尽管我们了解到将硝酸盐废料转化为氨可能无法在短期内完全替代现有的氨行业，但我们认为这一过程可以为分散的氨产生做出重大贡献，尤其是在具有高硝酸盐来源的地方，”王说。
与新研究，王的实验室和纳米技术启用水处理（NEWT）中心主任赖斯环境工程师佩德罗·阿尔瓦雷斯（Pedro Alvarez物理化学杂志c描述钴 - 铜纳米颗粒在三维碳纤维纸基板上的应用作为有效的催化剂，可从硝酸盐还原产生氨。yabo214这种廉价的催化剂也表现出对废水硝化的巨大希望。
共同领导作者自然纳米技术论文是莱斯大学的博士后Zhen-Yu Wu和亚利桑那州立大学的研究生Srishti Gupta。
合着者包括亚利桑那州立大学的研究生丹尼尔·里维拉（Daniel Rivera）；华盛顿州里奇兰市太平洋西北国家实验室的Sten Lambeets；研究科学家Guanhui Gao，本科生Stephanie Pecaut，研究生Jung Yoon Kim和Peng Zhu，以及赖斯大学材料科学和纳米工程助理教授Yimo Han；亚博网站下载亚博老虎机网登录伊利诺伊州Lemont的Argonne国家实验室的Zou Finfrock，Hua Zhou和Wenqian Xu；萨斯喀彻温省萨斯卡通的加拿大光源的Debora Motta Meira和Graham King；田纳西州橡树岭的Oak Ridge国家实验室的David Cullen。
太平洋西北实验室的丹尼尔·佩里亚（Daniel Perea）是该文件的共同作家。Wang是William March Rice受托人主席，也是化学与生物分子工程的助理教授。
该研究得到了国家科学基金会纳米系统工程研究中心的支持，纳米技术研究中心（1449亚博老虎机网登录500）和韦尔奇基金会（C-2051-20200401，C-2065-20210327）。
期刊参考：
陈，f-y。，等。（2022）将低浓度的硝酸盐源有效地转化为ru分散的Cu纳米线电催化剂上的氨。自然纳米技术。doi.org/10.1038/S41565-022-01121-4。
来源：https://rice.edu