آمونیاک به عنوان یک حامل انرژی بدون کربن، یکی از گزینه‌های مناسب برای استفاده در صنعت است، اما فرآیند تولید انرژی‌برِ آن، هنوز به عنوان یک چالش برای دانشمندان است. یک تیم تحقیقاتی به رهبری دانشگاه سیتی هنگ‌کنگ (CityU) اخیرا یک آلیاژ دو فلزی را به عنوان یک نانوکاتالیست فوق نازک مهندسی کرده که می‌تواند عملکرد الکتروشیمیایی بسیار بهبود یافته‌ای را برای تولید آمونیاک از نیترات (NO3) ارائه دهد و پتانسیل زیادی برای بدست آوردن سوخت عاری از کربن در آینده داشته باشد.
تولید آمونیاک با مصرف انرژی کمتری انجام خواهد شد
این یافته‌ها در قالب مقاله‌ای در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده است.
آمونیاک که معمولاً در کودها استفاده می‌شود اخیراً توجه زیادی را به خود جلب کرده است زیرا می‌تواند منبع هیدروژن برای پیل‌های سوختی باشد و مایع شدن و انتقال آن راحت‌تر از هیدروژن است. با توجه به تقاضای زیاد برای آن، بازیافت نیترات از فاضلاب آلوده به کود آمونیوم به عنوان جایگزینی برای بازتولید آمونیاک ارزشمند و پایدارتر کردن کشاورزی است.
در حال حاضر، واکنش الکتروشیمیایی احیاء نیترات (NO3RR) به عنوان یک راه‌حل امیدوار‌کننده برای سنتز آمونیاک در نظر گرفته می‌شود. این روش عمدتا شامل مراحل مختلفی نظیر اکسیژن‌زدایی و هیدروژناسیون (یعنی NO3– + 9H+ + 8e- ➙ NH3 + 3H2O) با الکتروکاتالیست‌های مبتنی بر فلز است.
پروفسور فن ژانشی، از دپارتمان شیمی در دانشگاه سیتی هنگ کنگ، که این مطالعه را رهبری می‌کند، گفت: «با این حال، محصولات جانبی نامطلوب و واکنش رقیب تولید هیدروژن (HER) در طول NO3RR ظاهراً مانع از نرخ بازده بالا در تولید آمونیاک می‌شود.»
به جای تعدیل اندازه یا ابعاد الکتروکاتالیست‌ها، نظیر کاری که سایر تحقیقات قبلی انجام داده، تیم پروفسور فن بر روی بهبود مکان‌های فعال تمرکز کردند، جایی که مولکول‌های بستر به هم متصل می‌شوند و فعالیت کاتالیزور روی سطح الکتروکاتالیست‌ها انجام می‌شود.
روتنیم (Ru) یک ماده نوظهور به عنوان یک الکتروکاتالیست برای NO3RR است، اما همچنین مشکل طرفداری از تولید هیدروژن را دارد که منجر به اشغال مکان‌های فعال آن توسط هیدروژن فعال نامطلوب می‌شود و منطقه کافی برای احیای نیترات به آمونیاک باقی نمی‌ماند.
برای غلبه بر این چالش‌ها، این تیم فلز دیگری، نظیر آهن، را برای مدیریت سایت‌های فعال معرفی کرد. با تغییر محیط سایت‌های Ru، ساختارهای الکترونیکی و خواص سطحی Ru و در نتیجه فعالیت کاتالیزوری آن‌ها برای تولید آمونیاک بهینه می‌شود. برای افزایش بیشتر عملکرد الکتروکاتالیست، این تیم روشی تک مرحله‌ای ارائه کرد که در آن از نانوصفحات بسیار نازک برای تولید ساختاری شبیه گل استفاده شد، که به آن نانوگل RuFe، گفته می‌شود.
این الکتروکاتالیست ساخته شده از آلیاژ دو فلزی جدید، به دلیل اوربیتال‌های مکملی که به انتقال الکترون کارآمد و حالت‌های ظرفیت قوی می‌رسند، ساختار الکترونیکی بسیار پایداری دارد، که واکنش HER رقیب را سرکوب می‌کند و موانع انرژی برای NO3RR را کاهش می‌دهد.
نتایج نشان داد، به طور قابل‌توجهی، نانوگل‌های RuFe عملکرد الکتروشیمیایی بسیار بهتری با راندمان انتقال بار فوق‌العاده داشتند.
