Nuovo materiale apre la possibilità di convertire i inquinanti dell'acqua in gas di idrogeno

18 gennaio 2024

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dell'Istituto Politecnico di Worcester

I ricercatori dell'WPI hanno sviluppato un materiale per rimuovere l'urea dall'acqua e potenzialmente convertirla in gas idrogeno. Costruendo questi materiali di atomi di nichelio e cobalto con strutture elettroniche accuratamente personalizzate, il gruppo ha sbloccato il potenziale per consentire a questi ossidi di metalli di transizione e idrossidi di ossidare selettivamente l'urea in una reazione elettrochimica.

Lo studio, guidato da Xiaowei Teng, il professore James H. Manning di Ingegneria Chimica presso l'WPI, è stato pubblicato sulla rivista Journal of Physical Chemistry Letters ed è stato evidenziato sulla copertina anteriore supplementare della pubblicazione.

L'urea è un fertilizzante azotato a basso costo per l'agricoltura e un prodotto naturale del metabolismo umano. Lo scarico agricolo ricco di urea e lo scarico delle acque reflue municipali causano l'eutrofizzazione - fioriture algali nocive e zone morte ipossiche che influiscono negativamente sull'ambiente acquatico e sulla salute umana.

Allo stesso tempo, le caratteristiche uniche dell'urea la rendono un potenziale mezzo di stoccaggio dell'idrogeno che potrebbe offrire una produzione di idrogeno su richiesta. Ad esempio, l'urea è atossica, ha un'alta solubilità in acqua e ha un contenuto di idrogeno elevato (6,7% in peso). Pertanto, l'elettrolisi dell'urea per la produzione di idrogeno è più efficiente dal punto di vista energetico ed economico rispetto all'elettrolisi dell'acqua.

Il punto debole dell'elettrolisi dell'urea è sempre stato la mancanza di elettrocatalizzatori a basso costo e altamente efficienti che ossidano selettivamente l'urea anziché l'acqua, ma Teng e il suo team hanno trovato una soluzione: creare elettrocatalizzatori composti da atomi di nichelio e cobalto che interagiscono sinergicamente con strutture elettroniche uniche per l'elettroossidazione selettiva dell'urea.

Lo studio del team dell'WPI si è concentrato su ossidi e idrossidi omogenei di nichelio e cobalto. I ricercatori hanno scoperto che la chiave per migliorare l'attività elettrochimica e la selettività verso l'ossidazione dell'urea si trovava nella modifica delle uniche strutture elettroniche con specie di Ni2+ e Co3+ dominanti.

'Questa configurazione elettronica è un fattore cruciale per migliorare la selettività dell'ossidazione dell'urea perché osserviamo che un valore elevato di nichelio, come Ni3+, aiuta effettivamente a produrre una reazione veloce con una forte uscita di corrente elettrica; tuttavia, una grande parte della corrente derivava da un'indesiderata ossidazione dell'acqua', ha detto Teng.

Per comprendere meglio questo effetto, il gruppo di Teng ha collaborato con Aaron Deskins, professore di ingegneria chimica presso l'WPI. Deskins ha effettuato simulazioni computazionali e ha scoperto che la miscelazione omogenea di ossidi e idrossidi di nichelio e cobalto ha favorito la redistribuzione degli elettroni da specie di Ni2+ a Co3+ e lo spostamento degli elettroni di valenza verso un'energia più elevata, in modo che i catalizzatori Ni/Co fossero meglio preparati per partecipare al legame con l'urea e le molecole di acqua.

L'urea, un importante fertilizzante azotato e additivo alimentare, è stata prodotta commercialmente già dagli anni '20; nel 2021 sono stati prodotti circa 180 milioni di tonnellate metriche di urea. L'urea può essere derivata da fonti naturali; un adulto produce quotidianamente 1,5 L di urina, equivalenti a 11 kg di urea e 0,77 kg di gas idrogeno all'anno.

Le scoperte del team potrebbero contribuire ad utilizzare l'urea negli scarichi di rifiuti per produrre in modo efficiente carburante all'idrogeno attraverso il processo di elettrolisi e potrebbero essere utilizzate per sequestrare l'urea dall'acqua, mantenendo così la sostenibilità a lungo termine dei sistemi ecologici e rivoluzionando il nexus acqua-energia.

Informazioni sulla rivista: Journal of Physical Chemistry Letters

Fornito da Istituto Politecnico di Worcester