WPI-Forscher haben ein Material entwickelt, um Harnstoff aus Wasser zu entfernen und ihn möglicherweise in Wasserstoffgas umzuwandeln. Durch den Aufbau dieser Materialien aus Nickel- und Kobaltatomen mit sorgfältig maßgeschneiderten elektronischen Strukturen hat die Gruppe das Potenzial erschlossen, diesen Übergangsmetalloxiden und -hydroxiden die selektive Oxidation von Harnstoff in einer elektrochemischen Reaktion zu ermöglichen.
Die Studie wurde von Xiaowei Teng, dem James H. Manning-Professor für Chemieingenieurwesen am WPI, geleitet veröffentlicht in der Journal of Physical Chemistry Letters und im ergänzenden Titelblatt der Publikation hervorgehoben.
Die Herausforderung, Harnstoff aus Wasser zu entfernen
Harnstoff ist ein kostengünstiger Stickstoffdünger für die Landwirtschaft und ein Naturprodukt des menschlichen Stoffwechsels. Harnstoffreiche landwirtschaftliche Abwässer und kommunale Abwassereinleitungen verursachen Eutrophierung – schädliche Algenblüten und hypoxische Totzonen, die sich negativ auf die aquatische Umwelt und die menschliche Gesundheit auswirken.
Gleichzeitig machen die einzigartigen Eigenschaften von Harnstoff ihn zu einem potenziellen Wasserstoffspeichermedium, das eine sinnvolle bedarfsgerechte Wasserstoffproduktion ermöglichen könnte. Harnstoff ist beispielsweise ungiftig, hat eine hohe Wasserlöslichkeit und einen hohen Wasserstoffgehalt (6,7 Gew.-%). Somit ist die Harnstoffelektrolyse zur Wasserstofferzeugung energieeffizienter und wirtschaftlicher als die Wasserelektrolyse.
Die Schwäche der Harnstoffelektrolyse war schon immer der Mangel an kostengünstigen und hocheffizienten Elektrokatalysatoren, die Harnstoff anstelle von Wasser selektiv oxidieren. Doch Teng und sein Team haben eine Lösung gefunden: die Herstellung von Elektrokatalysatoren, die aus synergistisch wechselwirkenden Nickel- und Kobaltatomen mit einzigartigen elektronischen Strukturen bestehen zur selektiven Harnstoff-Elektrooxidation.
Erschließung verbesserter Selektivität und Aktivität
Die Studie des WPI-Teams konzentrierte sich auf homogene Nickel- und Kobaltoxide und -hydroxide. Forscher fanden heraus, dass der Schlüssel zur Verbesserung seiner elektrochemischen Aktivität und Selektivität für die Harnstoffoxidation in der maßgeschneiderten Anpassung der einzigartigen elektronischen Strukturen mit dominanten Ni2+- und Co3+-Spezies lag.
„Diese elektronische Konfiguration ist ein entscheidender Faktor für die Verbesserung der Selektivität der Harnstoffoxidation, da wir beobachten, dass eine höhere Nickelvalenz wie Ni3+ tatsächlich zu einer schnellen Reaktion mit starker elektrischer Stromabgabe beiträgt; ein großer Teil des Stroms stammt jedoch von unerwünschtem Wasser.“ Oxidation“, sagte Teng.
Um diesen Effekt besser zu verstehen, arbeitete Tengs Gruppe mit Aaron Deskins, einem Professor für Chemieingenieurwesen am WPI, zusammen. Deskins führte die Computersimulationen durch und stellte fest, dass das homogene Mischen von Nickel- und Kobaltoxiden und -hydroxiden die Elektronenumverteilung von Ni2+- zu Co3+-Spezies begünstigte und Valenzelektronen zu höheren Energien verschob, sodass die Ni/Co-Katalysatoren besser auf die Bindung mit Harnstoff und Wasser vorbereitet waren Moleküle.
Bewerbungen und Zukunftsaussichten
Harnstoff, ein wichtiger Stickstoffdünger und Futterzusatzstoff, wurde bereits in den 1920er Jahren kommerziell hergestellt; Im Jahr 2021 wurden rund 180 Millionen Tonnen produziert. Harnstoff kann aus natürlichen Quellen gewonnen werden; Ein erwachsener Mensch produziert täglich 1,5 l Urin, was jährlich 11 kg Harnstoff und 0,77 kg Wasserstoffgas entspricht.
Die Erkenntnisse des Teams könnten dazu beitragen, Harnstoff in Abfallströmen zu nutzen, um durch den Elektrolyseprozess effizient Wasserstoff als Brennstoff zu erzeugen, und könnten dazu verwendet werden, Harnstoff aus Wasser zu binden, die langfristige Nachhaltigkeit ökologischer Systeme aufrechtzuerhalten und den Zusammenhang zwischen Wasser und Energie zu revolutionieren.
Mehr Informationen:
Tongxin Zhou et al., Verbesserte elektrokatalytische Aktivität der Harnstoffoxidation durch synergistische Kobalt- und Nickel-Mischoxide, Das Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c03257