杂化催化剂生产关键肥料并清洁废水

农业依赖于合成氮肥，该肥料是使用能源和碳密集型工艺制成的，并产生含硝酸盐的径流。长期以来，研究人员一直在寻求解决方案，以减少每年占能源消耗3%的工业排放。

西北大学的两个实验室与多伦多大学合作发现，使用电气合成生产肥料尿素既可以使废水反硝化，又可以实现低碳强度的尿素生产。该过程包括通过使用由锌和铜制成的混合催化剂转化二氧化碳和废氮，可以通过减少碳足迹和提供潜在的收入来源来使水处理设施受益。

研究结果于9月11日发表在《自然催化》杂志上。

“据估计，合成氮肥支持全球一半的人口，”西北大学教授Ted Sargent说，他是该论文的通讯作者。“脱碳工作的首要任务是提高地球上的生活质量，同时降低社会的净二氧化碳强度。弄清楚如何使用可再生电力为化学过程提供动力是这方面的一个巨大机会。

Sargent是Paula M. Trienens可持续发展与能源研究所（前身为ISEN）的联合执行主任，也是材料化学和能源系统的多学科研究员，曾在温伯格艺术与科学学院化学系和麦考密克工程学院电气和计算机工程系任职。

在萨金特的领域，许多研究人员已经开发出制造氨的替代途径，氨是许多肥料的前体，但很少有人研究尿素，这是一种可运输的即用型肥料。它代表着一个价值1000亿美元的产业。该团队表示，这项研究源于一个问题，“我们可以使用废氮源，捕获的CO₂和电力来制造尿素吗？

回顾过去，砥砺前行

该论文的第一作者，萨金特小组的博士后研究员和班廷博士后研究员Yuting Luo表示，深入研究历史参考资料有助于确定什么将成为他们的“神奇”混合催化剂。通常，化学家使用合金或更复杂的材料来触发反应，将它们限制为一次支持一个反应步骤。“将两种催化剂放在一起以接力模式合作的情况非常罕见，”罗说。“催化剂是这里真正的魔力。

该团队看到了可追溯到1970年代的参考资料，这些参考资料暗示纯金属 – 如锌和铜 – 在涉及二氧化碳和氮转化的过程中很有用。

这些初步实验，萨金特实验室继续复制，将相对较少的初始成分转化为所需的产品（研究小组发现尿素的转化效率约为20-30%）。西北大学研究助理教授、该研究的合著者谢柯（Ke Xie）表示，“在这些适度的效率水平下，电动尿素合成并不是设施管理废水和径流的实用方法。

可再生能源占比

在行业内创造变革需要仔细的成本效益分析，明确证明新的生产路线最终将在能源和成本节约方面获得回报。这就是化学工程教授詹妮弗·邓恩（Jennifer Dunn）的研究所在。邓恩实验室的四年级博士生Chayse Lavallais帮助团队进行了彻底的生命周期分析，仔细地包括各种场景中的每个能量输入和输出。

“使用普通的美国电网，能源排放大致相同，”Lavallais说。“但是，当你使用可再生能源时，有几个因素会降低能源排放，包括二氧化碳封存和储存在最终用途聚合物中的碳信用额。在水处理设施中，如果它增加了排放或能源，则不鼓励他们使用该技术。我们看到这不会显着影响日常运营成本，并且有可能销售该产品。

他们发现转换效率需要达到70%才能实用。

完善“神奇催化剂”比例

研究人员最终从一个简单的错误开始达到了他们的目标。他们的假设是可靠的 – 铜上的锌层会导致更好的性能。但最初，他们根本没有发现这一点，因为他们施加的锌层太厚，并且使用锌与铜的一对一比例，导致材料表现得好像它只与锌相互作用。有一次，有人在混合物中添加了比典型更少的粘合剂，一些锌被冲走了，实验效果很好。然后，该团队相应地调整了金属，并确定一份锌与20份铜的比例，从而获得最佳性能。

萨金特小组还应用了一个计算镜头来揭示为什么铜和锌一起工作得如此之好，以及为什么这两种反应之间似乎需要协同作用。因为不可能直观地捕捉这些反应——它们发生在纳秒级——所以必须计算它们并确定电子如何在反应中移动。

这个过程有两个不同的部分。首先，碳必须与锌相互作用，因为与铜的反应会产生微弱的反应。在第二阶段，情况正好相反——氮和铜产生有效的反应，而锌的作用很小。

研究人员说，在这个过程商业化之前还有一段路要走。首先，目前的反应不考虑在水处理环境中发现的杂质。他们还希望增加他们的流程可以运行的时间。