新型催化剂实现从硝酸盐污染到有价值的氨的高效转化

蓬勃发展的全球经济带来的污染对人类健康构成了许多不同的威胁。中原理工大学的研究人员提出了一种新的可能途径，可以有效地将硝酸盐(一种广泛存在的水污染物)转化回有价值的氨。

团队在研究中提出了一种在温和操作条件下使用添加金属的多金属氧酸盐作为催化剂，有效地将硝酸盐转化为氨氨的新途径最近发表于多金属氧酸盐。

在过去的几十年里，人们采用了多种方法来减轻硝酸盐氮的影响，硝酸盐氮会导致地下水污染。先前的研究表明，化学还原不仅可以减少或消除硝态氮，而且实际上可以通过将有害污染物转化为氨(全球使用的主要合成工业化学品)来充分利用它。

氨广泛应用于各个领域，具有极高的能量密度，并且易于液化和运输。一种名为哈伯-博世工艺的百年方法，通过在高温高压下使用铁金属催化剂与氢气反应，将大气中的氮气转化为氨。然而，“固定”所需的压力和温度是必要的。过程消耗大量能源并产生大量温室气体排放。

“我们应该找到高效、环保的方法，在温和条件下将氮还原为氨，”中原工学院的研究作者倪志辉说道。

在过去的几年里，科学家们一直在开发许多温和的氮还原技术作为哈伯-博世工艺的替代品，包括电催化、光催化和微生物燃料电池。其中，电化学硝酸盐还原反应是可持续氨生产的一种有前途的替代合成路线，因为它不仅可以消除水中的硝酸盐，而且可以在温和的操作条件下产生氨。

在此基础上，研究小组合成了两种添加镍的多金属氧酸盐(POM)，这是一类具有独特物理化学性质的金属氧化物簇，使其在利用电能驱动化学反应方面特别有效。

由于其分子结构的稳定性和可逆的氧化还原特性，多聚甲醛作为催化剂可以分解废水中的有机污染物并减少二氧化碳。POM还可以催化简单的有机转化，包括键的形成。

研究小组表征了镍化合物的结构，并水热合成它们以在高压下进行测试。使用电化学工作站进行电化学硝酸盐还原反应测试。

“为了评估在实际操作条件下硝酸盐还原的实用性，我们在很宽的硝酸盐浓度范围内进行了电催化测试，”他说。倪说。他们还测试了电催化剂的性能。稳定性、氨产率和法拉第效率等参数。

结果表明高效电化学催化氮还原成氨。

“这一发现为在环境中使用添加金属的多金属氧酸盐作为催化剂制造高效电化学硝酸盐还原反应电催化剂开辟了一条新途径设置，”倪说。“研究结果为创建有效的电催化催化剂提供了实用建议。”

在未来的步骤中，研究小组计划进一步探索这种制造有效电催化催化剂的方法。