دنیایی را تصور کنید که در آن آب آلوده نه تنها به طور موثر تصفیه می‌شود، بلکه به تولید سوخت هیدروژن بر اساس تقاضا نیز کمک می‌کند.
به نقل از آی‌ای، پژوهشگران موسسه پلی تکنیک وُرسِستر(WPI) با توسعه ماده‌ای که اوره را از آب حذف می‌کند و آن را برای تبدیل به گاز هیدروژن آماده می‌کند، گامی قابل توجه به سمت این چشم انداز برداشته‌اند.
این مطالعه که توسط شیائووی تِنگ و جیمز منینگ استادان مهندسی شیمی در WPI هدایت می‌شود، راه‌حل امیدوارکننده‌ای را برای چالش طولانی مدت در الکترولیز اوره معرفی می‌کند.
اوره یک کود کشاورزی معمولی غنی از نیتروژن و محصول جانبی متابولیسم انسان است و هنگامی که به مقدار بیش از حد در آب وجود داشته باشد، چالش‌های زیست محیطی ایجاد می‌کند. روان‌آب کشاورزی و تخلیه فاضلاب غنی از اوره به توسعه شکوفه‌های مضر جلبکی و مناطق مرده هیپوکسیک کمک می‌کند و بر محیط‌های آبی و سلامت انسان تأثیر منفی می‌گذارد.
با این حال، ویژگی‌های منحصر به فرد اوره، مانند ماهیت غیرسمی، حلالیت بالا در آب و محتوای هیدروژن قابل توجه، آن را به یک نامزد بالقوه برای ذخیره و تولید هیدروژن تبدیل می‌کند.
ساختارهای منحصر به فرد برای افزایش فعالیت الکتروشیمیایی
ضعف در استفاده از اوره برای تولید هیدروژن، فقدان الکتروکاتالیست‌های کم‌هزینه و بسیار کارآمد است که به جای آب، اوره را به طور انتخابی اکسید می‌کنند. تِنگ و تیمش در WPI با ایجاد الکتروکاتالیست‌هایی متشکل از اتم‌های نیکل و کبالت با ساختارهای الکترونیکی منحصر به فرد به این چالش پرداختند.
تحقیقات این تیم بر روی اکسیدها و هیدروکسیدهای همگن نیکل و کبالت متمرکز شد و کشف کرد که ساخت ساختارهای الکترونیکی منحصر به فرد با گونه‌های غالب Ni۲+ و Co۳+ برای افزایش فعالیت الکتروشیمیایی و انتخاب‌پذیری برای اکسیداسیون اوره بسیار مهم است.
تنگ توضیح داد: این پیکربندی الکترونیکی یک عامل محوری برای بهبود گزینش‌پذیری اکسیداسیون اوره است، زیرا مشاهده می‌کنیم که ظرفیت نیکل بالاتر مانند Ni۳+ در واقع به تولید یک واکنش سریع با خروجی جریان الکتریکی قوی کمک می‌کند. با این حال، بخش بزرگی از جریان ناشی از اکسیداسیون ناخواسته آب بود.
شبیه‌سازی‌های محاسباتی انجام شده توسط هارون دسکینز از WPI از یافته‌های آزمایشی پشتیبانی می‌کند و نشان می‌دهد که مخلوط همگن اکسیدهای نیکل و کبالت و هیدروکسیدها توزیع مجدد الکترون را تسهیل می‌کند و کاتالیزورها را برای پیوند با اوره و مولکول‌های آب بهینه می‌کند.
کاربردهای این موفقیت گسترده است. اوره یک کود عمده نیتروژن و افزودنی خوراک است که چندین دهه است به صورت تجاری تولید می‌شود و حدود ۱۸۰ میلیون تن فقط در سال ۲۰۲۱ از آن تولید شد.
یافته‌های این تیم می‌تواند در نحوه استفاده از اوره تحول ایجاد کند و نه تنها به طور مؤثر سوخت هیدروژن را از جریان فاضلاب تولید کند، بلکه به پایداری طولانی مدت سیستم‌های زیست محیطی نیز کمک کند.
این پژوهش امکانات جدیدی را برای تولید انرژی از آب و یک رویکرد سازگار با محیط زیست را هم برای تصفیه آب و هم برای تولید هیدروژن فراهم می‌کند.
این پژوهش در مجله Physical Chemistry Letters منتشر شده است.
