Neues Material ermöglicht die Möglichkeit, Wasser-Schadstoffe in Wasserstoffgas umzuwandeln.

18. Januar 2024

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vom Worcester Polytechnic Institute

Forscher des WPI haben ein Material entwickelt, um Harnstoff aus Wasser zu entfernen und ihn möglicherweise in Wasserstoffgas umzuwandeln. Indem diese Materialien aus Nickel- und Kobaltatomen mit sorgfältig angepassten elektronischen Strukturen hergestellt wurden, hat die Gruppe das Potenzial freigesetzt, diese Übergangsmetall-Oxide und -Hydroxide selektiv in einer elektrochemischen Reaktion zu Harnstoff zu oxidieren.

Die Studie, geleitet von Xiaowei Teng, dem James H. Manning Professor für Chemieingenieurwesen am WPI, wurde im Journal of Physical Chemistry Letters veröffentlicht und auf dem Titelbild der Veröffentlichung hervorgehoben.

Harnstoff ist ein kostengünstiger Stickstoffdünger in der Landwirtschaft und ein natürliches Produkt des menschlichen Stoffwechsels. Harnstoffhaltiges landwirtschaftliches Abwasser und kommunale Abwassereinleitungen führen zur Eutrophierung – schädliche Algenblüten und sauerstoffarme Todeszonen, die die aquatische Umwelt und die menschliche Gesundheit beeinträchtigen.

Gleichzeitig macht die einzigartige Eigenschaft von Harnstoff ihn zu einem potenziellen Wasserstoffspeichermedium, das eine praktische Wasserstoffproduktion bei Bedarf ermöglichen könnte. Zum Beispiel ist Harnstoff ungiftig, hat eine hohe Wasserlöslichkeit und einen hohen Wasserstoffgehalt (6,7% nach Gewicht). Daher ist die Harnstoffelektrolyse zur Wasserstoffproduktion energieeffizienter und wirtschaftlicher als die Wasserelektrolyse.

Die Schwäche der Harnstoffelektrolyse war immer der Mangel an kostengünstigen und hoch effizienten Elektrokatalysatoren, die Harnstoff selektiv anstelle von Wasser oxidieren, aber Teng und sein Team haben eine Lösung gefunden: Elektrokatalysatoren zu schaffen, die aus synergetisch interagierenden Nickel- und Kobaltatomen mit einzigartigen elektronischen Strukturen für die selektive Harnstoffelektrooxidation bestehen.

Die Studie des WPI-Teams konzentrierte sich auf homogene Nickel- und Kobaltoxide und -hydroxide. Die Forscher fanden heraus, dass der Schlüssel zur Verbesserung der elektrochemischen Aktivität und Selektivität zur Harnstoffoxidation in der Anpassung der einzigartigen elektronischen Strukturen mit dominierenden Ni2+- und Co3+-Spezies liegt.

"Diese elektronische Konfiguration ist ein entscheidender Faktor zur Verbesserung der Selektivität der Harnstoffoxidation, weil wir feststellen, dass ein höherer Nickelvalenz, wie zum Beispiel Ni3+, tatsächlich eine schnelle Reaktion mit einer starken elektrischen Stromausgabe ermöglicht; jedoch stammte ein großer Teil des Stroms aus unerwünschter Wasserionisation", sagte Teng.

Um diesen Effekt besser zu verstehen, arbeitete Tengs Gruppe mit Aaron Deskins, Professor für Chemieingenieurwesen am WPI, zusammen. Deskins führte die computergestützten Simulationen durch und stellte fest, dass die homogene Mischung von Nickel- und Kobaltoxiden und -hydroxiden die Elektronenumverteilung von Ni2+ zu Co3+-Spezies begünstigte und die Valenzelektronen auf höhere Energie verschob, so dass die Ni/Co-Katalysatoren besser darauf vorbereitet waren, sich mit Harnstoff- und Wassermolekülen zu binden.

Urea ist ein wichtiger Stickstoffdünger und Futtermittelzusatzstoff, der bereits in den 1920er Jahren kommerziell produziert wurde; im Jahr 2021 wurden rund 180 Millionen metrische Tonnen hergestellt. Urea kann aus natürlichen Quellen gewonnen werden; ein erwachsener Mensch produziert täglich 1,5 Liter Urin, was 11 kg Harnstoff und 0,77 kg Wasserstoffgas pro Jahr entspricht.

Die Ergebnisse des Teams könnten dabei helfen, Harnstoff in Abwasserströmen effizient durch das Elektrolyseverfahren in Wasserstoffbrennstoff umzuwandeln und zur Einlagerung von Harnstoff aus Wasser beitragen, um die langfristige Nachhaltigkeit der Ökosysteme zu gewährleisten und das Wasser-Energie-Nexus zu revolutionieren.

Journal-Information: Journal of Physical Chemistry Letters

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