Их выводы опубликованы в Энергетика и наука об окружающей среде.

"Эта технология и наш метод обладают большим потенциалом для обеспечения синтеза удобрений по требованию и могут оказать огромное влияние на сельскохозяйственный и энергетический секторы в развитых и развивающихся странах, а также на усилия по сокращению выбросов парниковых газов от ископаемого топлива", - сказал ведущий исследователь Минеш Сингх, доцент кафедры химической инженерии в Инженерный колледж МСЖД.

Аммиак, представляющий собой комбинацию одного атома азота и трех атомов водорода, является ключевым соединением удобрений и многих промышленных продуктов, таких как пластмассы и фармацевтические препараты. Современные методы получения аммиака из азота требуют огромного количества тепла, выделяемого при сжигании ископаемого топлива, для разрушения прочных связей между атомами азота, чтобы они могли связываться с водородом. Этот многовековой процесс приводит к значительной доле глобальных выбросов парниковых газов, которые являются движущей силой изменения климата.

Ранее Сингх и его коллеги разработали экологически чистый метод получения аммиака путем фильтрации чистого газообразного азота через электрически заряженный сетчатый фильтр, покрытый катализатором, в растворе на водной основе. Эта реакция использовала лишь небольшое количество энергии ископаемого топлива для наэлектризовывания экрана, который расщепляет атомы азота, но при этом образуется больше газообразного водорода (80%), чем аммиака (20%).

Теперь исследователи усовершенствовали эту концепцию и разработали новый метод, который использует нитрат, один из наиболее распространенных загрязнителей подземных вод, для подачи азота и солнечного света для электрификации реакции. Система производит почти 100% аммиака с почти нулевыми побочными реакциями газообразного водорода. Реакция не требует ископаемого топлива и не производит углекислый газ или другие парниковые газы, а использование солнечной энергии обеспечивает беспрецедентную эффективность преобразования солнечной энергии в топливную, или STF, в 11%, что в 10 раз лучше, чем у любой другой современной системы для производства аммиака (около 1% STF).

Новый метод основан на кобальтовом катализаторе, который исследователи описывают вместе с новым процессом в своей статье "Электрохимический синтез аммиака с использованием нитрата на солнечной энергии с эффективностью преобразования солнечной энергии в топливо 11% в условиях окружающей среды".

Чтобы идентифицировать катализатор, исследователи сначала применили вычислительную теорию, чтобы предсказать, какой металл будет работать лучше всего. После идентификации кобальта с помощью этих моделей команда экспериментировала с металлом, пробуя различные способы оптимизации его активности в реакции. Исследователи обнаружили, что шероховатая поверхность кобальта, полученная в результате окисления, лучше всего подходит для создания селективной реакции, то есть превращения почти всех молекул нитрата в аммиак.

"Поиск активного, селективного и стабильного катализатора, который работал бы в системе, работающей на солнечной энергии, является убедительным доказательством того, что устойчивый синтез аммиака в промышленных масштабах возможен", - сказал Сингх.

Мало того, что сама реакция углеродно-нейтральна, что хорошо для окружающей среды, но если система разработана для промышленного использования, она также может оказывать почти отрицательное, восстанавливающее воздействие на окружающую среду.

"Использование нитрата сточных вод означает, что мы также должны удалять загрязняющие вещества из поверхностных и подземных вод. Со временем это означает, что процесс может одновременно помочь устранить промышленные отходы и сточные воды и восстановить баланс азотного цикла, особенно в сельских районах, которые могут испытывать экономические трудности или подвергаться наибольшему риску из-за высокого воздействия избытка нитратов", - сказал Сингх.

Высокое содержание нитратов в питьевой воде связано с такими заболеваниями, как рак, заболевания щитовидной железы, преждевременные роды и низкий вес при рождении.

"Мы все очень взволнованы этим достижением, и мы не останавливаемся на достигнутом. Мы надеемся, что скоро у нас будет более крупный прототип, с помощью которого мы сможем протестировать систему в гораздо большем масштабе", - сказал Сингх, который уже сотрудничает с муниципальными корпорациями, центрами очистки сточных вод и другими представителями отрасли в дальнейшей разработке системы.

Патент на новый процесс был подан Управлением технологического менеджмента МСЖД.

Соавторами статьи являются Нишитан Кани и Адитья Параджапати из UIC, Джозеф Готье из Техасского технического университета, Джейн Эджингтон и Линси Сейтц из Северо-Западного университета, Иша Бордавекар из средней школы Уоррен Тауншип, Уиндом Шилдс и Митчелл Шилдс из Worldwide Liquid Sunshine и Аюш Сингх из Dow Inc.