Un pizzico di atomi di rutenio su una rete di nanofili di rame potrebbe essere un passo verso una rivoluzione nell'industria globale dell'ammoniaca che aiuta anche l'ambiente.

I collaboratori della George R. Brown School of Engineering della Rice University, dell'Arizona State University e del Pacific Northwest National Laboratory hanno sviluppato il catalizzatore ad alte prestazioni in grado, con un'efficienza quasi del 100%, di estrarre l'ammoniaca e l'ammoniaca solida, nota anche come fertilizzante, da bassi livelli di nitrati che sono diffusi nelle acque reflue industriali e nelle acque sotterranee inquinate.

Uno studio condotto dall'ingegnere chimico e biomolecolare della Rice Haotian Wang mostra che il processo converte i livelli di nitrati di 2.000 parti per milione in ammoniaca, seguito da un efficiente processo di stripping del gas per la raccolta del prodotto di ammoniaca. Il contenuto di azoto residuo dopo questi trattamenti può essere ridotto a livelli "bevibili" come definiti dall'Organizzazione Mondiale della Sanità.

"Abbiamo realizzato un processo completo di denitrificazione dell'acqua", ha affermato lo studente laureato Feng-Yang Chen. "Con un ulteriore trattamento dell'acqua su altri contaminanti, possiamo potenzialmente trasformare le acque reflue industriali in acqua potabile".

Chen è uno dei tre autori principali del documento che appare in Nature Nanotechnology .

Lo studio mostra un'alternativa promettente verso processi efficienti per un settore che dipende da un processo ad alta intensità energetica per produrre oltre 170 milioni di tonnellate di ammoniaca all'anno.

I ricercatori sapevano da studi precedenti che gli atomi di rutenio sono campioni nel catalizzare le acque reflue ricche di nitrati. La loro svolta è stata combinarlo con il rame che sopprime la reazione di evoluzione dell'idrogeno, un modo per produrre idrogeno dall'acqua che in questo caso è un effetto collaterale indesiderato.

"Sapevamo che il rutenio era un buon metallo candidato per la riduzione dei nitrati, ma sapevamo anche che c'era un grosso problema, che poteva facilmente avere una reazione competitiva, che è l'evoluzione dell'idrogeno", ha detto Chen. "Quando abbiamo applicato la corrente, molti elettroni sarebbero andati semplicemente all'idrogeno, non al prodotto che vogliamo."

"Abbiamo preso in prestito un concetto da altri campi come la riduzione dell'anidride carbonica, che utilizza il rame per sopprimere l'evoluzione dell'idrogeno", ha aggiunto Wang. "Poi abbiamo dovuto trovare un modo per combinare organicamente rutenio e rame. Si scopre che la dispersione di singoli atomi di rutenio nella matrice di rame funziona meglio."

Il team ha utilizzato i calcoli della teoria del funzionale della densità per spiegare perché gli atomi di rutenio rendono più facile attraversare il percorso chimico che collega nitrato e ammoniaca, secondo l'autore corrispondente Christopher Muhich, assistente professore di ingegneria chimica presso l'Arizona State.

"Quando c'è solo rutenio, l'acqua si intromette", ha detto Muhich. "Quando c'è solo rame, non c'è abbastanza acqua per fornire atomi di idrogeno. Ma nei singoli siti di rutenio anche l'acqua non è in competizione, fornendo abbastanza idrogeno senza occupare punti per la reazione dei nitrati."

Il processo funziona a temperatura ambiente ea pressione ambiente, e a quella che i ricercatori hanno chiamato una corrente di riduzione dei nitrati "rilevante per l'industria" di 1 ampere per centimetro quadrato, la quantità di elettricità necessaria per massimizzare il tasso di catalisi. Ciò dovrebbe semplificare l'aumento delle dimensioni, ha affermato Chen.

"Penso che questo abbia un grande potenziale, ma è stato ignorato perché è stato difficile per gli studi precedenti raggiungere una densità di corrente così buona pur mantenendo una buona selettività del prodotto, specialmente con basse concentrazioni di nitrati", ha affermato. "Ma ora stiamo dimostrando proprio questo. Sono fiducioso che avremo l'opportunità di spingere questo processo per le applicazioni industriali, soprattutto perché non richiede una grande infrastruttura."

Uno dei principali vantaggi del processo è la riduzione delle emissioni di anidride carbonica dalla tradizionale produzione industriale di ammoniaca. Questi non sono insignificanti, pari all'1,4% delle emissioni annuali mondiali, hanno osservato i ricercatori.

"Anche se abbiamo capito che la conversione dei rifiuti di nitrati in ammoniaca potrebbe non essere in grado di sostituire completamente l'attuale industria dell'ammoniaca a breve termine, riteniamo che questo processo potrebbe dare un contributo significativo alla produzione decentralizzata di ammoniaca, specialmente in luoghi con elevate fonti di nitrati", ha affermato Wang .

Oltre al nuovo studio, il laboratorio di Wang e quello dell'ingegnere ambientale della Rice Pedro Alvarez, direttore del Centro per il trattamento delle acque abilitate alla nanotecnologia (NEWT), hanno recentemente pubblicato un articolo sul Journal of Physical Chemistry C descrivendo in dettaglio l'uso di nanoparticelle di cobalto-rame su un substrato di carta in fibra di carbonio 3D come catalizzatore efficiente per sintetizzare l'ammoniaca dalla riduzione dei nitrati. Questo catalizzatore a basso costo ha anche mostrato grandi promesse per la denitrificazione nelle acque reflue. + Esplora ulteriormente

Utilizzo del tè verde come reagente riducente per la preparazione di nanomateriali per sintetizzare l'ammoniaca