Los investigadores de WPI han desarrollado un material para eliminar la urea del agua y potencialmente convertirla en gas hidrógeno. Al construir estos materiales de átomos de níquel y cobalto con estructuras electrónicas cuidadosamente diseñadas, el grupo ha desbloqueado el potencial para permitir que estos óxidos e hidróxidos de metales de transición oxiden selectivamente la urea en una reacción electroquímica.
El estudio, dirigido por Xiaowei Teng, profesor James H. Manning de Ingeniería Química en WPI, se publicó en el Journal of Physical Chemistry Letters. y resaltado en la portada complementaria de la publicación.
La urea es un fertilizante agrícola nitrogenado de bajo costo y un producto natural del metabolismo humano. La escorrentía agrícola rica en urea y la descarga de aguas residuales municipales causan eutrofización:proliferación de algas nocivas y zonas muertas hipóxicas que impactan negativamente el medio ambiente acuático y la salud humana.
Al mismo tiempo, las características únicas de la urea la convierten en un medio potencial de almacenamiento de hidrógeno que podría ofrecer una producción viable de hidrógeno bajo demanda. Por ejemplo, la urea no es tóxica, tiene una alta solubilidad en agua y un alto contenido de hidrógeno (6,7% en peso). Por lo tanto, la electrólisis de urea para la producción de hidrógeno es más eficiente energéticamente y económica que la electrólisis del agua.
La debilidad de la electrólisis de urea siempre ha sido la falta de electrocatalizadores de bajo costo y altamente eficientes que oxiden selectivamente la urea en lugar de agua, pero Teng y su equipo han encontrado una solución:fabricar electrocatalizadores que consisten en átomos de níquel y cobalto que interactúan sinérgicamente con estructuras electrónicas únicas. para electrooxidación selectiva de urea.
El estudio del equipo de WPI se centró en óxidos e hidróxidos homogéneos de níquel y cobalto. Los investigadores descubrieron que la clave para mejorar su actividad electroquímica y su selectividad a la oxidación de la urea radicaba en adaptar las estructuras electrónicas únicas con Ni 2+ dominante. y Co 3+ especie.
"Esta configuración electrónica es un factor fundamental para mejorar la selectividad de la oxidación de la urea porque observamos que la mayor valencia del níquel, como el Ni 3+ De hecho, ayuda a producir una reacción rápida con una fuerte salida de corriente eléctrica; sin embargo, una gran parte de la corriente se debió a la oxidación no deseada del agua", dijo Teng.
Para comprender mejor este efecto, el grupo de Teng colaboró con Aaron Deskins, profesor de ingeniería química en WPI. Deskins realizó las simulaciones computacionales y descubrió que la mezcla homogénea de óxidos e hidróxidos de níquel y cobalto beneficiaba la redistribución de electrones del Ni 2+ . a Co 3+ especies y cambiando los electrones de valencia a mayor energía, por lo que los catalizadores de Ni/Co estaban mejor preparados para participar en la unión con moléculas de urea y agua.
La urea, un importante fertilizante nitrogenado y aditivo alimentario, se producía comercialmente ya en la década de 1920; En 2021 se produjeron alrededor de 180 millones de toneladas métricas. La urea puede derivarse de fuentes naturales; un ser humano adulto produce 1,5 litros de orina al día, lo que equivale a 11 kg de urea y 0,77 kg de gas hidrógeno al año.
Los hallazgos del equipo podrían ayudar a utilizar urea en flujos de desechos para producir eficientemente combustible de hidrógeno a través del proceso de electrólisis, y podrían usarse para secuestrar urea del agua, manteniendo la sostenibilidad a largo plazo de los sistemas ecológicos y revolucionando el nexo agua-energía. P>
Más información: Tongxin Zhou et al, Actividad electrocatalítica de oxidación de urea mejorada mediante óxidos mixtos sinérgicos de cobalto y níquel, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03257
Información de la revista: Revista de cartas de química física
Proporcionado por el Instituto Politécnico de Worcester
