I ricercatori del WPI hanno sviluppato un materiale per rimuovere l'urea dall'acqua e potenzialmente convertirla in gas idrogeno. Costruendo questi materiali di atomi di nichel e cobalto con strutture elettroniche attentamente personalizzate, il gruppo ha sbloccato il potenziale per consentire a questi ossidi e idrossidi di metalli di transizione di ossidare selettivamente l'urea in una reazione elettrochimica.
Lo studio, condotto da Xiaowei Teng, professore di ingegneria chimica James H. Manning presso il WPI, è stato pubblicato sul Journal of Physical Chemistry Letters ed evidenziato nella copertina supplementare della pubblicazione.
L'urea è un fertilizzante agricolo a base di azoto a basso costo e un prodotto naturale del metabolismo umano. Il deflusso agricolo ricco di urea e gli scarichi di acque reflue municipali provocano l'eutrofizzazione, una proliferazione di alghe dannose e zone morte ipossiche che hanno un impatto negativo 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 praticabile. Ad esempio, l’urea non è tossica, ha un’elevata solubilità in acqua e ha un elevato contenuto di idrogeno (6,7% in peso). Pertanto, l'elettrolisi dell'urea per la produzione di idrogeno è più efficiente dal punto di vista energetico ed economica rispetto all'elettrolisi dell'acqua.
Il punto debole dell'elettrolisi dell'urea è sempre stata la mancanza di elettrocatalizzatori a basso costo e altamente efficienti che ossidano selettivamente l'urea invece dell'acqua, ma Teng e il suo team hanno trovato una soluzione:realizzare elettrocatalizzatori costituiti da atomi di nichel e cobalto interagiti sinergicamente con strutture elettroniche uniche per elettroossidazione selettiva dell'urea.
Lo studio del team WPI si è concentrato sugli ossidi e idrossidi omogenei di nichel e cobalto. I ricercatori hanno scoperto che la chiave per migliorare la sua attività elettrochimica e la selettività nei confronti dell'ossidazione dell'urea risiede nel personalizzare le strutture elettroniche uniche con Ni 2+ dominante e Co 3+ specie.
"Questa configurazione elettronica è un fattore fondamentale per migliorare la selettività dell'ossidazione dell'urea perché osserviamo una valenza di nichel più elevata, come Ni 3+ , infatti aiuta a produrre una reazione rapida con una forte uscita di corrente elettrica; tuttavia, gran parte della corrente derivava dall'ossidazione indesiderata dell'acqua," ha affermato Teng.
Per comprendere meglio questo effetto, il gruppo di Teng ha collaborato con Aaron Deskins, professore di ingegneria chimica al WPI. Deskins ha eseguito le simulazioni computazionali e ha scoperto che la miscelazione omogenea di ossidi e idrossidi di nichel e cobalto ha favorito la ridistribuzione degli elettroni da Ni 2+ a Co 3+ specie e spostando gli elettroni di valenza a un'energia più elevata in modo che i catalizzatori Ni/Co fossero meglio preparati a partecipare al legame con le molecole di urea e acqua.
Uno dei principali fertilizzanti azotati e additivo per mangimi, l'urea veniva prodotta commercialmente già negli anni '20; Nel 2021 ne sono state prodotte circa 180 milioni di tonnellate. L'urea può essere derivata da fonti naturali; un essere umano adulto produce 1,5 litri di urina al giorno, equivalenti a 11 kg di urea e 0,77 kg di idrogeno gassoso all'anno.
Le scoperte del team potrebbero aiutare a utilizzare l'urea nei flussi di rifiuti per produrre in modo efficiente combustibile idrogeno attraverso il processo di elettrolisi e potrebbero essere utilizzate per sequestrare l'urea dall'acqua, mantenendo la sostenibilità a lungo termine dei sistemi ecologici e rivoluzionando il nesso acqua-energia.
Ulteriori informazioni: Tongxin Zhou et al, Attività elettrocatalitica di ossidazione dell'urea migliorata mediante ossidi misti sinergici di cobalto e nichel, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03257
Informazioni sul giornale: Giornale di lettere di chimica fisica
Fornito dal Worcester Polytechnic Institute
