One-Step Electrodeposited Manganese-Copper Heterojunction Electrode for Efficient Electrochemical Nitrate Reduction to Ammonia

Water dat te rijk is aan nitraten is een groeiend probleem voor onze planeet. Wanneer deze chemische stof, vaak een bijproduct van landbouw en industrie, in rivieren en grondwater spoelt, verstoort het het delicate evenwicht van de natuur en kan het mensen ziek maken. In het menselijk lichaam kunnen nitraten veranderen in schadelijke verbindingen die het bloed beïnvloeden en het risico op ernstige ziekten op de lange termijn vergroten. Decennialang was de standaardmethode om dit water te reinigen het volledig verwijderen van de stikstof, waarbij het wordt omgezet in een onschadelijk gas dat in de lucht ontsnapt. Hoewel dit het gevaar wegneemt, verspilt het ook een waardevolle hulpbron. Stikstof is het sleutelingredient in meststof, en het is ook een potentiële bron van schone energie. Een elegantere oplossing zou zijn om die stikstof op te vangen en direct om te zetten in ammoniak, een nuttige chemische stof, terwijl het water tegelijkertijd wordt gereinigd.

De uitdaging ligt in de chemie. Het omzetten van nitraat in ammoniak is als het proberen te bouwen van een complexe structuur uit een stapel bakstenen die allemaal aan elkaar vastgelijmd zitten; het vereist veel energie en precieze instrumenten om ze uit elkaar te halen en te herschikken zonder een rommeltje te maken. Wetenschappers gebruiken elektriciteit om dit proces aan te drijven, maar de instrumenten die zij gebruiken, de zogenaamde elektroden, waren historisch gezien duur, instabiel of inefficiënt. Ze slagen er vaak niet in om voldoende van de gewenste ammoniak te produceren, of ze gaan snel kapot. Onderzoekers hebben verschillende metalen geprobeerd te gebruiken om dit op te lossen, maar het vinden van een materiaal dat goedkoop, duurzaam en zeer effectief is, bleef een aanzienlijke hindernis.

Een team van onderzoekers aan de Wuhan Polytechnic University heeft een nieuwe aanpak ontwikkeld die deze problemen aanpakt door een eenvoudige, eenstapsmethode te creëren voor het bouwen van een gespecialiseerde elektrode. In plaats van dure metalen of complexe fabricagemethoden te gebruiken, hebben ze een dunne laag mangaan en koper direct op een stuk algemeen nikkelfoam gegroeid. Dit foam dient als een stevig skelet, terwijl het mangaan en het koper een uniek partnerschap op het oppervlak vormen. De onderzoekers ontdekten dat wanneer ze deze twee metalen in een specifieke verhouding mengden, het resulterende materiaal een zeer efficiënte machine werd voor het omzetten van nitraat in ammoniak.

In hun experimenten testte het team deze nieuwe elektrode in een oplossing die nitraat bevatte. Wanneer ze een zachte elektrische spanning aanlegden, begon de elektrode aan haar werk. De resultaten waren opmerkelijk. Bij een specifieke spanning van negatief nul komma vier volt slaagde de elektrode erin om negentig vier procent van de gebruikte elektrische energie direct om te zetten in ammoniakproductie. Dit is een maatstaf voor efficiëntie die bekend staat als Faradaïsche efficiëntie. Wat betreft snelheid produceerde de elektrode ammoniak met een snelheid van nul komma twee acht milligram per uur per vierkante centimeter van het oppervlak. Deze cijfers waren aanzienlijk beter dan wat de onderzoekers bereikten toen ze elektroden testten die alleen van koper of alleen van mangaan waren gemaakt, wat bewees dat de combinatie van de twee metalen de sleutel tot succes was.

De onderzoekers wilden ook weten of dit nieuwe materiaal kon blijven bestaan. In de wereld van elektrochemische reiniging degraderen materialen vaak of verliezen ze na een korte tijd hun effectiviteit. Om dit te testen, lieten ze de elektrode continu gedurende honderd uur draaien. Gedurende deze lange periode behield de elektrode haar hoge prestaties, waarbij de efficiëntie boven de negentig procent bleef. Ze controleerden het water na de test en stelden vast dat er bijna geen metaal was opgelost, wat bevestigde dat de structuur solide en duurzaam was. Deze stabiliteit is cruciaal voor elke technologie die beoogt te worden gebruikt in echte waterzuiveringsinstallaties.

Om te begrijpen waarom deze mengeling zo goed werkte, keek het team nauwkeurig naar hoe de atomen waren gerangschikt en hoe ze met het water interageerden. Ze ontdekten dat de verbinding waar mangaan en koper elkaar ontmoeten een speciale omgeving creëert. Deze interface helpt de elektrode om nitraatmoleculen effectiever uit het water te grijpen. Belangrijker nog, het maakt het de elektrode gemakkelijker om watermoleculen te splitsen om waterstofatomen vrij te laten, die nodig zijn om de ammoniak op te bouwen. De onderzoekers testten dit door een stof toe te voegen die deze waterstofatomen vangt; toen zij dit deden, daalde de productie van ammoniak scherp, wat bevestigde dat de generatie van deze waterstofatomen een cruciale stap in het proces was.

De studie suggereert dat het geheim van dit succes niet alleen de aanwezigheid van de metalen is, maar de manier waarop ze aan elkaar zijn verbonden. De combinatie creëert een oppervlak dat beter in staat is om het nitraat vast te houden en sneller de noodzakelijke waterstofatomen naar de reactieplaats te verplaatsen. In tegen tegenstelling tot eerdere methoden die complexe, meerstaps fabricage of dure edelmetalen vereisten, kan deze nieuwe elektrode in één stap worden gemaakt met behulp van algemene materialen. Hoewel de onderzoekers opmerken dat er meer werk nodig is om dit op te schalen voor industrieel gebruik, bieden hun bevindingen een veelbelovend pad voorwaarts. Ze hebben aangetoond dat een eenvoudige, goedkope combinatie van mangaan en koper een hardnekkige vervuiler kan veranderen in een waardevolle hulpbron met hoge efficiëntie en langdurige stabiliteit.