Das Nitratabflussproblem, eine Quelle von Karzinogenen und eine Ursache für erstickende Algenblüten in US-amerikanischen Wasserstraßen, ist möglicherweise nicht nur düster und verhängnisvoll. Eine neue Studie unter der Leitung der University of Illinois Urbana-Champaign demonstriert einen Ansatz für die integrierte Erfassung und Umwandlung von nitratverseuchtem Wasser in wertvolles Ammoniak innerhalb einer einzigen elektrochemischen Zelle.
Die von Professor Xiao Su für Chemie- und Biomolekulartechnik geleitete Studie demonstriert ein Gerät, das zu einer achtfachen Nitratkonzentration, einer 24-fachen Steigerung der Ammoniumproduktionsrate und einer mehr als zehnfachen Steigerung der Energieeffizienz im Vergleich zu früheren Nitrat-zu-Ammoniak-Anlagen in der Lage ist elektrokatalytische Methoden.
„Durch die Kombination von Trennung und Reaktion haben wir die zuvor bestehenden Einschränkungen bei der Herstellung von Ammoniak direkt aus Grundwasser überwunden, wo die Nitratkonzentrationen sehr niedrig sind und somit den Umwandlungsschritt ineffizient machen“, sagte Su.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
„Das Ziel dieser Studie war es, so wenig Energie wie möglich zu verbrauchen, um Nitrat aus landwirtschaftlichen Abwässern zu entfernen, bevor es in unsere Gewässer gelangt, und es wieder in Düngemittel umzuwandeln oder als chemisches Ausgangsmaterial zu verkaufen“, sagte Su. „Unsere Technologie kann sich somit auf die Abfallbehandlung, die nachhaltige chemische Produktion und die Dekarbonisierung auswirken. Wir hoffen, eine größere Zirkularität in den Stickstoffkreislauf zu bringen.“
Das Team entwickelte eine einzigartige, bifunktionale Elektrode, die Nitrat aus einem Wasserstrom trennen und hochkonzentrieren kann, während es in einer einzigen Einheit durch rein elektrochemische Steuerung in Ammoniak umgewandelt wird. „Die bifunktionale Elektrode kombiniert ein Redox-Polymer-Adsorptionsmittel, das das Nitrat einfängt, mit Katalysatoren auf Kobaltbasis, die die elektrokatalytische Umwandlung in Ammonium vorantreiben“, sagte Su.
Das System wurde im Labor unter Verwendung landwirtschaftlicher Abflüsse getestet, die von Abflusskacheln rund um die Forschungsfelder der U. of I. gesammelt wurden, um das Potenzial der Technologie für reale Bedingungen zu bewerten, sagten die Forscher.
„Dies ist eine sehr effiziente Erfassungs- und Konvertierungsplattform mit geringem Platzbedarf“, sagte Su. „Wir brauchen keine separaten elektrochemischen Zellen für die Wasseraufbereitung und Ammoniumproduktion oder das Hinzufügen zusätzlicher Chemikalien oder Lösungsmittel. Stattdessen stellen wir uns ein Modul vor, das direkt auf Ackerland installiert und mit der aus dem elektrokatalytischen Prozess und einem kleinen Solarpanel erzeugten Energie betrieben wird.“
Das Team sagte, sein nächstes Ziel sei es, noch selektivere Materialien zu entwickeln, die in dem Gerät verwendet werden, um eine höhere Nitratentfernung zu erreichen und die Umwandlung in Ammoniak zu beschleunigen – und gleichzeitig Systeme in größerem Maßstab für den praktischen Einsatz im Feld zu entwickeln.
Kwiyong Kim ist der Erstautor der Studie mit Beiträgen von Jaeyoung Hong und Jing Lian Ng aus der Su-Gruppe. Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Tuan Anh Pham vom Lawrence Livermore National Laboratory und Alexandra Zagalskaya und Vitaly Alexandrov von der University of Nebraska durchgeführt.
Su ist auch mit dem Beckman Institute for Advanced Science and Technology verbunden und außerdem Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen in Illinois.
Mehr Informationen:
Kwiyong Kim et al, Kopplung der Nitratabscheidung mit der Ammoniakproduktion durch bifunktionelle Redox-Elektroden, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36318-1