Солнечная система превращает нитраты в сточных водах в ценный аммиак

Схематическое изображение фотоэлектрохимического процесса восстановления нитратов. Автор: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202506567

Исследовательская группа из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) представила технологию, преобразующую нитраты из сточных вод в аммиак — важное химическое вещество и перспективный энергоноситель — без выбросов углерода. Это достижение не только предлагает устойчивый метод производства аммиака, но и способствует очистке сточных вод.

Под руководством профессоров Кваньён Со и Чжи-Вук Чанга из Школы энергетической химии UNIST команда разработала фотоэлектрохимическую (PEC) систему, работающую на солнечной энергии и способную преобразовывать нитратные загрязнители в аммиак при обычных условиях. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Аммиак — ключевой химикат, используемый в сельском хозяйстве и промышленности, с годовым потреблением свыше 150 миллионов тонн. Его высокое содержание водорода делает его перспективным решением для хранения и транспортировки энергии следующего поколения. Однако традиционный промышленный метод (процесс Габера-Боша) требует высоких температур и давления, что приводит к значительным выбросам парниковых газов.

Новая PEC-система использует солнечный свет для восстановления нитратов без внешнего источника электроэнергии, применяя сточные воды в качестве сырья. Высокие концентрации нитратов представляют опасность для здоровья, вызывая метгемоглобинемию и рак желудка. Технология избирательно восстанавливает нитраты до аммиака, решая одновременно проблемы загрязнения воды и устойчивого синтеза аммиака.

Система включает кремниевый фотокатод с катализатором из никелевой фольги. Под действием солнечного света кремний генерирует электроны, которые через никелевый катализатор восстанавливают нитраты до аммиака. Ключевое новшество — образование тонкого слоя гидроксида никеля (Ni(OH)₂) на поверхности катализатора, подавляющего побочные реакции (например, выделение водорода) и повышающего селективность производства аммиака.

Этот механизм подтверждён экспериментами и квантово-механическими расчётами. Профессор Сутсу Рю из UNIST с помощью моделирования методом функционала плотности (DFT) показал, что Ni(OH)₂ создаёт активные центры, облегчающие восстановление нитратов до аммиака и снижающие энергетические барьеры.

Система достигла рекордной скорости производства аммиака — 554 микрограмма на квадратный сантиметр в час без внешнего напряжения, что более чем на 50% превосходит предыдущие технологии. Устройство сохранило эффективность на увеличенной площади (25 см²), демонстрируя потенциал для практического применения.

«Превращение нитратных загрязнителей в аммиак не только очищает воду, но и способствует углеродной нейтральности. Наша цель — создать крупномасштабные PEC-устройства для производства аммиака под открытым небом, используя солнечный свет и сточные воды», — отметил профессор Со.

Дополнительная информация: Wonjoo Jin et al, Nickel Hydroxide Catalyzed Bias‐free Photoelectrochemical NH3 Production via Nitrate Reduction, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202506567

Источник: Ulsan National Institute of Science and Technology