پژوهشگران دانشگاه WPI در حال توسعه موادی هستند که قابلیت حذف اوره از آب و احتمال تبدیل آن به گاز هیدروژن را دارا است. با ساخت این مواد از اتم‌های نیکل و کبالت با ساختارهای الکترونی دقیقاً تنظیم‌شده، این گروه توانسته است پتانسیل ترکیبات اکسید و هیدراکسید فلزهای گذری را باز کند تا به صورت انتخابی اوره را در یک واکنش الکتروشیمیایی اکسید کند. این مطالعه که توسط شیائووی تنگ، استاد مهندسی شیمی در دانشگاه WPI انجام شده است، اخیراً در ژورنال “Journal of Physical Chemistry Letters” منتشر شده و در صفحات نخست این نشریه چاپ شده است.
اوره، نوعی کود کشاورزی با بازده اقتصادی و یک محصول طبیعی از متابولیسم انسان است. جاری‌شدن اوره در مسائل محیطی، مانند آلودگی آب‌ها و دفع فاضلاب شهری، به افزایش آلودگی آب و مناطق مرده هوازی منجر می‌شود که تأثیر منفی بر محیط آبی و سلامت انسان دارد. در همان حالت، ویژگی‌های منحصربه‌فرد اوره این امکان را فراهم می‌کند که به عنوان یک محفظه ذخیره هیدروژن بتواند این عنصر را تولید و ذخیره کند. به عبارت دیگر، الکترولیز اوره برای تولید هیدروژن از نظر صرف انرژی و اقتصادی موثرتر از الکترولیز آب است.
ضعف الکترولیز اوره همیشه نبود کاتالیزورهای الکتریکی کارامد و کم هزینه بوده است که انتخابی مناسب به جای اکسیداسیون آب است اما تنگ و تیم او راه حلی پیدا کرده‌اند: ساخت کاتالیزورها با اتم‌های نیکل و کبالت با تعامل هماهنگی و ساختارهای الکترونی منحصر به فرد برای اکسیداسیون الکتروشیمیایی انتخابی اوره.
مطالعه تیم WPI بر روی اکسید و هیدراکسیدهای همگن نیکل و کبالت متمرکز بود. پژوهشگران افتخار می‌کنند که کلید افزایش فعالیت الکتروشیمیایی و انتخابی برای اکسیداسیون اوره در تنظیم ساختارهای الکترونی منحصر به فرد با حضور گوناگونی از انواع Ni2+ و Co3+ است.
“این پیکربندی الکترونی یک عامل مهم برای بهبود انتخابی برای اکسیداسیون اوره است، زیرا مشاهده می‌کنیم که افزایش والانس نیکل، مانند Ni3+ واقعاً بهبود بخش است تا واکنش سریع با خروج جریان الکتریک قوی رخ دهد؛ با این حال، بخش زیادی از جریان از اکسیداسیون آب ناخواسته بود”،طبق گفته های تنگ.برای درک بهتر از این تأثیر، گروه تنگ با آرون دسکینز، استاد مهندسی شیمی در WPI همکاری کرد. دسکینز شبیه‌سازی‌های محاسباتی را انجام داد و متوجه شد که مخلوط یکنواخت اکسید و هیدراکسید نیکل و کبالت به توزیع الکترون از Ni2+ به Co3+ کمک می کند و الکترون‌های والانس به انرژی بالاتری منتقل شدند تا کاتالیزورها برای مشارکت بهتر در اتصال با مولکول‌های اوره و آب آماده شوند.
اوره کود کشاورزی مهم و یک ماده افزودنی در تغذیه دام بوده و از دهه ۱۹۲۰ به صورت تجاری تولید می‌شود و تا کنون حدود ۱۸۰ میلیون تن در سال ۲۰۲۱ تولید شده است.اوره می‌تواند از منابع طبیعی به‌دست آید؛ هر انسان بالغ روزانه ۱.۵ لیتر ادرار تولید می‌کند که معادل ۱۱ کیلوگرم اوره و ۰.۷۷ کیلوگرم گاز هیدروژن در سال می‌شود.
یافته‌های تیم می‌تواند به تولید سوخت هیدروژن از مخلوط اوره در جریان‌های زباله کمک کند و همچنین برای جدا سازی اوره از آب مورد استفاده قرار گیرد که بر پایداری بلندمدت سیستم‌های اکولوژیکی تأثیرگذار باشد و در عین حال رابطه آب و انرژی را ویران کند. این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم تحت شماره 2236704 حمایت شده است.
Tongxin Zhou, Sathya Narayanan Jagadeesan, Lihua Zhang, N. Aaron Deskins, Xiaowei Teng. Enhanced Urea Oxidation Electrocatalytic Activity by Synergistic Cobalt and Nickel Mixed Oxides. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2023; 15 (1): 81 DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c03257
Materials provided by Worcester Polytechnic Institute. Note: Content may be edited for style and length.
