Nitrat Kirliliğinin Giderilmesi ve Sürdürülebilir Enerji Geri Kazanımı

Nitrat, dünya genelinde en yaygın su kirleticilerinden biridir ve içme suyu güvenliği ile insan sağlığı için ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Nitratın elektrokimyasal olarak amonyağa dönüştürülmesi, sadece nitrat kirliliğini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda değerli amonyak da üretir. Bu, küresel azot döngüsünün dengesini yeniden sağlamak için sürdürülebilir bir yol sunar ve sürdürülebilir amonyak sentezinin çevresel ve ekonomik etkileri için teknik destek sağlar. Bununla birlikte, düşük maliyetli, yüksek aktiviteli ve seçici elektrot malzemeleri geliştirmek bu alanda önemli bir zorluk olmaya devam etmektedir.

Tsinghua Üniversitesi Çevre Fakültesi'nden Doçent Miao Li'nin araştırma grubu, reaksiyon kinetiğini zayıflatan, uzaklaştırma verimliliğini ve seçiciliğini azaltan ve pratik uygulamayı engelleyen, karbon aktif bölgeleri ile reaktan molekülleri arasındaki zayıf adsorpsiyon kapasitesi sorununu ele aldı. Ekip, heterojen arayüzler için mikro yapı düzenlemesinin teori ve yöntemini yenileyerek, azot dopingi yoluyla yeni aktif bölgelere sahip bir katalizör oluşturdu. Bu, bitişik karbon atomlarını aktive etti ve metalden karbona elektron transferini artırarak yüksek katalitik aktivite sağladı. Ekip, elektrokimyasal nitrat uzaklaştırma ve amonyak enerji üretimi için metal-organik çerçeve (MOF) türevli azot katkılı karbon-demir heteroyapılı (Fe@N~10~-C) bir elektrokatalizör geliştirdi. Çalışma, 125,8±0,5 mg N g~kat~^−1^ h^−1^ nitrat uzaklaştırma verimliliği ve mevcut araştırmalarda bildirilen en yüksek değer olan yaklaşık %100 (99,7±0,1%) amonyak seçiciliği elde etti.

Bu çalışmada, Fe@N~x~-C katalizöründeki Fe, N ve C bölgelerinin değerlik durumlarını ve koordinasyon ortamlarını analiz etmek için senkrotron radyasyonu kullanılmış ve piroliz sırasında azot katkılı bir karbon yapısının oluşumu daha da doğrulanmıştır. Pirolizden sonra, Fe@N~x~-C katalizöründeki birincil azot türü grafitik azottur. Fe@N~x~-C'deki ana aktif bölgeler, N bölgelerine bitişik C aktif bölgeleridir (C~N~). Fe@N~10~-C katalizörünün artan aktivitesi, Fe nanopartiküllerini (NP'ler) çevreleyen karbon katmanlarındaki uygun miktarda azot katkı maddesine bağlanmıştır.

Azotun C atomlarını aktive etmedeki ve Fe@N~10~-C'nin elektrokimyasal nitrat indirgeme aktivitesini iyileştirmedeki rolünü daha ayrıntılı olarak incelemek için, çalışmada yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) hesaplamaları yapılmıştır. Diferansiyel yük diyagramları, üç temsili modelin (Fe@N, Fe@N~10~-C ve Fe@N~20~-C) aktif bölgelerini ortaya çıkararak, yük transferinin C~N~ bölgelerinde gerçekleştiğini ve N katkısının bitişik C atomlarında bozulmaya neden olduğunu doğrulamıştır. Araştırmacılar daha sonra N katkısının elektronik yapı üzerindeki etkisini incelemiştir. C~N~ bölgelerinde daha fazla yük birikimi gözlemlenmiş, bu da N katkısının yük yoğunluğunu artırdığını ve böylece NO~3~^−^ adsorpsiyonunu teşvik ettiğini göstermiştir. Bader yük analizi de C~N~ bölgelerinde daha fazla yük transferi olduğunu göstermiş ve bunların aktif bölgeler olduğunu daha da doğrulamıştır. C atomlarının aktivasyonunu ve Fe@N~10~-C katalizörünün aktivitesinin kökenini daha iyi anlamak için ekip, Fe ve N katkılı karbon arasındaki etkileşimi incelemiştir. Diferansiyel yük diyagramları, N katkısının Fe nanopartiküllerinden N katkılı karbona elektron transferini etkilediğini, C atomlarını aktive ettiğini ve bunun da reaktan moleküllerinin adsorpsiyonunu artırarak reaksiyon kinetiğini iyileştirdiğini göstermiştir.