Команда исследователей из Университета науки и технологий Ульсан (UNIST) разработала инновационную технологию, использующую солнечную энергию для синтеза аммиака и гликолевой кислоты — ключевого компонента в косметической промышленности, при этом устраняя выбросы углекислого газа.
Под руководством профессоров Сунхо Чо и Мён Хун Сонга из кафедры материаловедения и инженерии UNIST, команда создала метод, который преобразует нитратные загрязнители, содержащиеся в сточных водах, в аммиак посредством электрохимической реакции. Этот процесс также позволяет получать гликолевую кислоту из пластиковых отходов, эффективно превращая мусор в ценные продукты и снижая углеродные выбросы.
Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Nano Letters.
Аммиак занимает второе место по объему производства среди неорганических соединений в мире, уступая лишь серной кислоте, и его производство составляет 1,4% от общего объема выбросов углекислого газа. Это подчеркивает настоятельную необходимость в экологически чистых альтернативах традиционному процессу Хабера-Боша.
Исследовательская группа разработала фотогальваническую электрокаталитическую систему, которая позволяет производить аммиак на катоде и гликолевую кислоту на аноде, используя солнечную энергию.
В рамках этой системы нитрит (NO2-) в сточных водах восстанавливается на аноде, в то время как этиленгликоль, извлеченный из пластиковых отходов, окисляется до гликолевой кислоты на катоде. Поскольку нитраты (NO3-) и нитриты сосуществуют в сточных водах, преобразование нитрита в аммиак требует значительно меньше энергии и времени по сравнению с нитратом, что оптимизирует общую эффективность процесса.
Система достигла впечатляющей энергетической эффективности в 52,3%, что является самым высоким показателем на основе производительности анода. Скорость производства аммиака составила 146 μmol/cm²h, что значительно превышает критерий коммерциализации Министерства энергетики США в 58,72 μmol/cm²h, отмечая 46% улучшение по сравнению с предыдущими рекордами.
Исследователи разработали высокоэффективный катализатор (RuCo-NT/CF), который избирательно восстанавливает нитрит, что дополнительно увеличивает эффективность системы. Специально нацелившись на нитрит и избегая энергоемкой реакции эволюции кислорода, они оптимизировали процесс для достижения наилучших результатов.
Перовскитная солнечная батарея, использованная в системе, была разработана для обеспечения высокой электрической выходной мощности и долговечности. С увеличением плотности фотогальванического тока возрастает и скорость производства аммиака.
Профессор Сонг отметил: "Это исследование подчеркивает потенциал производства аммиака без выбросов углекислого газа с использованием перовскитных солнечных батарей, которые превосходят коммерческие кремниевые аналоги."
Команда также оценила коммерческий потенциал своей технологии, обнаружив, что их электрохимическая система может достичь скорости производства солнечного аммиака в 114 μmol/cm²h при использовании электролита, имитирующего сточные воды с низким уровнем радиоактивности и переработанными материалами PET.
Профессор Чо добавил: "Наше исследование предлагает устойчивое, углеродно-нейтральное энергетическое решение, одновременно производя зеленый аммиак и гликолевую кислоту из солнечного света и отходов."