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哈工大提出废水处理和低碳能源生产新途径
2024年09月12日 09:31:20
来源：Ky开元集团 作者：杨 点击量：9622
研究人员设计了一种废水中利用及高效转化硝酸盐为氨的高效电催化剂，有望为废水处理和低碳能源生产提供新途径。
【化工仪器网 项目成果】在低碳经济的全球背景下，减少温室气体排放、构筑低能耗、低污染的生产体系已成为全球共识。低碳能源系统的发展是实现这一目标的重要途径，其中包括风能、太阳能、核能、地热能和生物质能等清洁能源的广泛应用。
近日，哈尔滨工业大学深圳校区理学院教授何思斯团队和副教授周佳团队在硝酸盐电催化转化领域取得新进展。研究人员设计了一种废水中利用及高效转化硝酸盐为氨的高效电催化剂，有望为废水处理和低碳能源生产提供新途径。
低碳能源生产是实现可持续发展的重要基石。传统能源系统依赖于煤炭、石油等化石燃料，这些能源的开采和使用过程中会产生大量的温室气体，对环境造成严重影响。而低碳能源系统则通过开发清洁能源，如太阳能、风能等，替代化石能源，减少二氧化碳等温室气体的排放，从而实现经济、社会和环境的协调发展。
电催化还原硝酸盐制备氨(NRA)技术作为一种新型的低碳能源转换和存储方式，不仅能够有效利用废水中的硝酸盐资源，还能将其转化为理想的清洁能源——氨。氨作为一种高效、无碳的氢载体，在燃料电池、储能等领域具有广泛应用前景。通过NRA技术，不仅可以实现废水的资源化利用，还能为低碳能源生产提供新的途径。
为提高NRA反应的催化性能，研究团队提出了一种梯度浓度结构设计合成的钴基催化剂来优化NRA过程的策略。实验结果显示，这种梯度浓度的RuCo电催化剂在典型工业废水(2000 ppm NO3-)的低硝酸盐浓度下，实现了超过93%的氨气生产法拉第效率和1.0 A/cm²的工业级氨气电流密度，并且能在-300 mA/cm²的电流密度下稳定工作720小时。即便在硝酸盐浓度低至62 ppm的条件下，该催化剂仍能保持高活性，进一步验证了其在实际应用中的巨大潜力。
此外，研究团队还通过阳离子交换法，实现了在钴基电催化剂的表面到内部钌梯度浓度降低的结构，这种掺杂策略减少了贵金属钌的掺杂，又保证了主体的钴晶体结构，同时使催化剂的表面有足够的钌为后续反应提供足够多的活性氢。
哈尔滨工业大学的研究成果不仅为学术界提供了新的研究方向，更为工业界带来了巨大的商业化潜力。梯度浓度RuCo电催化剂的工业化应用，将有望推动电化学氨能量转换和储存技术的快速发展，促进大规模工业化的电还原NO3-生产NH3。
相关研究成果Gradient-concentration RuCo electrocatalyst for efficient and stable electroreduction of nitrate into ammonia于近日发表于《自然—通讯(nature communications)》
参考资料来源：中国科学报
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