Urinstof, med formlen co (NH2)2er en kemisk forbindelse, der er vidt brugt i en række sektorer, herunder fremstilling, landbrug og forskellige industrier. Konventionelt produceres denne forbindelse via en totrinsproces, der indebærer syntesen af ammoniak fra nitrogen (N₂) og dens efterfølgende reaktion med kuldioxid (CO₂).
Denne reaktion forekommer ved høje temperaturer og under højt tryk, hvilket fører til dannelse af en forbindelse kaldet ammoniumcarbamat. Denne forbindelse nedbrydes derefter ved lavere tryk, som i sidste ende producerer urinstof og vand.
Traditionelle processer til produktion af urinstof er meget energikrævende, hvilket betyder, at de for at producere ønskede mængder urinstof forbruger de en masse elektrisk kraft. I løbet af de sidste par år har nogle ingeniører således forsøgt at udtænke flere energieffektive strategier for at syntetisere urinstof.
En mulig tilgang kunne være at direkte syntetisere urinstof fra CO₂ og N₂ ved hjælp af elektrolysatorer, enheder, der bruger elektricitet til at lette de ønskede kemiske reaktioner. Indtil videre har brugen af disse enheder til at syntetisere urinstof vist sig vanskeligt, da uønskede bivirkninger inden for enhederne ofte producerer andre forbindelser i stedet.
Forskere ved Sun Yat-Sen University i Kina introducerede for nylig en ny strategi til at syntetisere rent urinstof fra forudbehandlet røggas, en affaldsgas, der udsendes fra industrielle processer, i et protonbegrænset miljø opnået ved hjælp af en elektrolysator, der integrerer en faststof-elektrolyt. Deres papir, der er offentliggjort i Natur nanoteknologikunne åbne nye værdifulde muligheder for den energieffektive produktion af urinstof i stor skala.
“Elektrosyntesen af rent urinstof via co-reduktion af CO2 og n2 forbliver udfordrende, “skrev Yan-Chen Liu, Jia-run Huang og deres kolleger i deres papir.” Vi viser, at et protonbegrænset miljø etableret i en elektrolyser udstyret med en porøs fast-state elektrolyt, blottet for en vandig elektrolyt, kan undertrykke hydrogen evolutionsreaktion og overdreven hydrogenation af N2 til ammoniak.
“Dette kan i stedet være befordrende for C – N -koblingen af *CO2 med *NHNH (mellemproduktet fra semi-hydrogenering af n2), derved letter produktionen af urinstof. “
Den nye strategi for at syntetisere urinstof indført af dette forskerteam er primært afhængig af oprettelsen af et protonbegrænset miljø, en tilstand, hvor brintioner (dvs. protoner) er knappe. Denne tilstand blev med succes realiseret ved hjælp af en elektrolysator, der indeholder en porøs fast-state elektrolyt.
“Ved at bruge nanosark af en ultrathin to-dimensionel metal-azolat ramme med cykliske heterotrimetale klynger som katalysator, den faradaiske effektivitet af urinstofproduktion fra forbehandlet røggas (som hovedsageligt indeholder 85% n n2 og 15% co2) er så højt som 65,5%, og der blev ikke genereret nogen ammoniak og andre flydende produkter, “skrev Liu, Huang og deres kolleger.
“Ved en lav cellespænding på 2,0 V kan strømmen nå 100 mA, og urinstofproduktionshastigheden er så høj som 5,07 g gkat−1 h−1eller 84,4 mmol gkat−1h−1. Det kan bemærkes, at det kontinuerligt kan producere 6,2 vægt% ren urinstof vandig opløsning i mindst 30 timer, og ca. 1,24 g rent urinstofstof blev opnået. “
I holdets oprindelige eksperimenter muliggjorde deres strategi den kontinuerlige produktion af urinstof med høj renhed uden ammoniakbiprodukter, mens de indførte mindre energi end konventionel urinstofsyntese nærmer sig. I fremtiden kunne det testes yderligere og implementeres i stor skala, hvilket potentielt muliggør den grønnere og omkostningseffektive produktion af urinstof i stor skala.
“Brugen af forbehandlet røggas som et direkte råmateriale reducerer inputomkostningerne markant, og den høje reaktionshastighed og selektivitet bidrager til en reduktion i systemskala og driftsomkostninger,” skrev forskerne.