L’inquinamento provocato da un’economia globale in forte espansione pone una serie di minacce diverse per la salute umana. I ricercatori dell'Università di Tecnologia di Zhongyuan hanno proposto una nuova possibile strada per riconvertire in modo efficiente il nitrato, un diffuso inquinante dell'acqua, in preziosa ammoniaca.
Il team ha delineato un nuovo percorso per convertire in modo efficiente il nitrato in ammoniaca utilizzando il poliossometallato con aggiunta di metallo come catalizzatore in condizioni operative blande nel loro studio recentemente pubblicato su Polyoxometalates .
Negli ultimi decenni sono stati adottati numerosi metodi per mitigare l’azoto nitrico, che contribuisce alla contaminazione delle acque sotterranee. Studi precedenti hanno dimostrato che la riduzione chimica non solo può ridurre o eliminare l'azoto nitrato, ma può effettivamente sfruttare l'inquinante dannoso convertendolo in ammoniaca, una delle principali sostanze chimiche industriali sintetiche utilizzata in tutto il mondo.
Pervasiva in una vasta gamma di campi, l’ammoniaca ha una densità energetica estremamente elevata ed è semplice da liquefare e trasportare. Un metodo vecchio di un secolo chiamato processo Haber-Bosch converte l’azoto atmosferico in ammoniaca mediante una reazione con l’idrogeno utilizzando un catalizzatore metallico di ferro ad alte temperature e pressioni. Tuttavia, le pressioni e le temperature necessarie per il processo di "fissazione" consumano grandi quantità di energia e producono enormi quantità di emissioni di gas serra.
"Dovremmo trovare metodi ad alta efficienza e rispettosi dell'ambiente per ridurre l'azoto in ammoniaca in condizioni blande", ha affermato Zhihui Ni, autore dello studio dell'Università di Tecnologia di Zhongyuan.
Negli ultimi anni, gli scienziati hanno sviluppato una serie di tecniche di riduzione blanda dell’azoto come alternative al processo Haber-Bosch, tra cui l’elettrocatalisi, la fotocatalisi e le celle a combustibile microbiche. Di questi, la reazione elettrochimica di riduzione dei nitrati è un promettente percorso sintetico alternativo per la produzione sostenibile di ammoniaca, perché non solo elimina i nitrati dall'acqua ma produce anche ammoniaca in condizioni operative blande.
Su questa base, il gruppo di ricerca ha sintetizzato due poliossometallati (POM) aggiunti al nichel, una classe di cluster di ossidi di metallo con proprietà fisico-chimiche uniche che li rendono particolarmente efficaci nell'utilizzo dell'energia elettrica per guidare una reazione chimica.
Grazie alla stabilità delle loro strutture molecolari e alle proprietà redox reversibili, i POM come catalizzatori possono scomporre gli inquinanti organici nelle acque reflue e ridurre l’anidride carbonica. I POM possono anche catalizzare semplici trasformazioni organiche, inclusa la formazione di legami.
Il gruppo di ricerca ha caratterizzato le strutture dei composti del nichel e li ha sintetizzati idrotermicamente per testarli ad alte pressioni. I test di reazione elettrochimica di riduzione dei nitrati sono stati eseguiti utilizzando una stazione di lavoro elettrochimica.
"Per valutare la praticità della riduzione dei nitrati in condizioni operative reali, abbiamo condotto test elettrocatalitici su un ampio intervallo di concentrazioni di nitrati", ha affermato Ni. Hanno inoltre testato, tra gli altri parametri, la stabilità degli elettrocatalizzatori, il tasso di rendimento dell'ammoniaca e l'efficienza di Faraday.
I risultati mostrano una riduzione catalitica elettrochimica dell'azoto ad ammoniaca ad alta efficienza.
"Questa scoperta crea un nuovo percorso per la produzione di elettrocatalizzatori di reazione elettrochimica di riduzione dei nitrati altamente efficaci utilizzando poliossometallato con aggiunta di metallo come catalizzatore in ambienti ambientali", ha affermato Ni. "I risultati della ricerca offrono consigli pratici per creare catalizzatori elettrocatalitici efficaci."
Nelle fasi future, il gruppo di ricerca prevede di esplorare ulteriormente questo metodo per creare catalizzatori elettrocatalitici efficaci.
Ulteriori informazioni: Zhihui Ni et al, Silicotungstati esanucleari aggiunti con nichel come elettrocatalizzatori ad alta efficienza per la riduzione dei nitrati in ammoniaca, Poliossometallati (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140044
Fornito dalla Tsinghua University Press
