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哈工大提出廢水處理和低碳能源生產新途徑
2024年09月12日 09:31:20
來源：化工儀器網 作者：楊 點擊量：9556
研究人員設計了一種廢水中利用及高效轉化硝酸鹽為氨的高效電催化劑，有望為廢水處理和低碳能源生產提供新途徑。
【化工儀器網 項目成果】在低碳經濟的全球背景下，減少溫室氣體排放、構筑低能耗、低污染的生產體系已成為全球共識。低碳能源系統的發展是實現這一目標的重要途徑，其中包括風能、太陽能、核能、地熱能和生物質能等清潔能源的廣泛應用。
近日，哈爾濱工業大學深圳校區理學院教授何思斯團隊和副教授周佳團隊在硝酸鹽電催化轉化領域取得新進展。研究人員設計了一種廢水中利用及高效轉化硝酸鹽為氨的高效電催化劑，有望為廢水處理和低碳能源生產提供新途徑。
低碳能源生產是實現可持續發展的重要基石。傳統能源系統依賴于煤炭、石油等化石燃料，這些能源的開采和使用過程中會產生大量的溫室氣體，對環境造成嚴重影響。而低碳能源系統則通過開發清潔能源，如太陽能、風能等，替代化石能源，減少二氧化碳等溫室氣體的排放，從而實現經濟、社會和環境的協調發展。
電催化還原硝酸鹽制備氨(NRA)技術作為一種新型的低碳能源轉換和存儲方式，不僅能夠有效利用廢水中的硝酸鹽資源，還能將其轉化為理想的清潔能源——氨。氨作為一種高效、無碳的氫載體，在燃料電池、儲能等領域具有廣泛應用前景。通過NRA技術，不僅可以實現廢水的資源化利用，還能為低碳能源生產提供新的途徑。
為提高NRA反應的催化性能，研究團隊提出了一種梯度濃度結構設計合成的鈷基催化劑來優化NRA過程的策略。實驗結果顯示，這種梯度濃度的RuCo電催化劑在典型工業廢水(2000 ppm NO3-)的低硝酸鹽濃度下，實現了超過93%的氨氣生產法拉第效率和1.0 A/cm²的工業級氨氣電流密度，并且能在-300 mA/cm²的電流密度下穩定工作720小時。即便在硝酸鹽濃度低至62 ppm的條件下，該催化劑仍能保持高活性，進一步驗證了其在實際應用中的巨大潛力。
此外，研究團隊還通過陽離子交換法，實現了在鈷基電催化劑的表面到內部釕梯度濃度降低的結構，這種摻雜策略減少了貴金屬釕的摻雜，又保證了主體的鈷晶體結構，同時使催化劑的表面有足夠的釕為后續反應提供足夠多的活性氫。
哈爾濱工業大學的研究成果不僅為學術界提供了新的研究方向，更為工業界帶來了巨大的商業化潛力。梯度濃度RuCo電催化劑的工業化應用，將有望推動電化學氨能量轉換和儲存技術的快速發展，促進大規模工業化的電還原NO3-生產NH3。
相關研究成果Gradient-concentration RuCo electrocatalyst for efficient and stable electroreduction of nitrate into ammonia于近日發表于《自然—通訊(nature communications)》
參考資料來源：中國科學報
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