哈工大提出廢水處理和低碳能源生產(chǎn)新途徑
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】在低碳經(jīng)濟(jì)的全球背景下，減少溫室氣體排放、構(gòu)筑低能耗、低污染的生產(chǎn)體系已成為全球共識。低碳能源系統(tǒng)的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑，其中包括風(fēng)能、太陽能、核能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能等清潔能源的廣泛應(yīng)用。
近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)理學(xué)院教授何思斯團(tuán)隊和副教授周佳團(tuán)隊在硝酸鹽電催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究人員設(shè)計了一種廢水中利用及高效轉(zhuǎn)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(chǎn)提供新途徑。
低碳能源生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要基石。傳統(tǒng)能源系統(tǒng)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(chǎn)生大量的溫室氣體，對環(huán)境造成嚴(yán)重影響。而低碳能源系統(tǒng)則通過開發(fā)清潔能源，如太陽能、風(fēng)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(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。
電催化還原硝酸鹽制備氨(NRA)技術(shù)作為一種新型的低碳能源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。通過NRA技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)廢水的資源化利用，還能為低碳能源生產(chǎn)提供新的途徑。
為提高NRA反應(yīng)的催化性能，研究團(tuán)隊提出了一種梯度濃度結(jié)構(gòu)設(shè)計合成的鈷基催化劑來優(yōu)化NRA過程的策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種梯度濃度的RuCo電催化劑在典型工業(yè)廢水(2000 ppm NO3-)的低硝酸鹽濃度下，實(shí)現(xiàn)了超過93%的氨氣生產(chǎn)法拉第效率和1.0 A/cm²的工業(yè)級氨氣電流密度，并且能在-300 mA/cm²的電流密度下穩(wěn)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(jìn)一步驗(yàn)證了其在實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力。
此外，研究團(tuán)隊還通過陽離子交換法，實(shí)現(xiàn)了在鈷基電催化劑的表面到內(nèi)部釕梯度濃度降低的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，同時使催化劑的表面有足夠的釕為后續(xù)反應(yīng)提供足夠多的活性氫。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究成果不僅為學(xué)術(shù)界提供了新的研究方向，更為工業(yè)界帶來了巨大的商業(yè)化潛力。梯度濃度RuCo電催化劑的工業(yè)化應(yīng)用，將有望推動電化學(xué)氨能量轉(zhuǎn)換和儲存技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)大規(guī)模工業(yè)化的電還原NO3-生產(chǎn)NH3。
相關(guān)研究成果Gradient-concentration RuCo electrocatalyst for efficient and stable electroreduction of nitrate into ammonia于近日發(fā)表于《自然—通訊(nature communications)》
參考資料來源：中國科學(xué)報
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