Sudaki nitrat kirliliği ekosistemleri ve insan sağlığını tehdit ediyor, ancak zararlı yan ürünler üretilmeden etkili bir şekilde ortadan kaldırılması hala bir zorluk olmaya devam ediyor. Yeni bir çalışma, hem yüksek aktivite hem de seçicilik sağlayan, çift kabuklu mezo-gözenekli karbon küreler üzerine tasarlanmış ikili tek atomlu bir katalizörü rapor ediyor.
Yeraltı sularında ve atık sularda aşırı nitrat seviyeleri genellikle tarım, kanalizasyon ve endüstriyel atık sulardan kaynaklanır ve ötrofikasyona, ekolojik dengesizliğe ve methemoglobinemi gibi sağlık risklerine neden olur. Biyolojik denitrifikasyon, membran ayırma ve adsorpsiyonu içeren geleneksel arıtma yöntemleri, yüksek maliyetler, enerji talepleri veya ikincil kirlilikten muzdariptir.
Elektrokatalitik denitrifikasyon, nitratı doğrudan amonyak veya nitrojen gazına dönüştüren cazip bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, çoğu katalizör, daha kolay hidrojenasyon yolları nedeniyle amonyak oluşumunu tercih eder, bu da toksisite sorunlarını ve geri kazanım maliyetlerini artırır. Bu zorluklara dayanarak, nitratı seçici olarak zararsız nitrojen gazına dönüştüren ve sürdürülebilir su arıtımını sağlayan katalizörlerin tasarlanmasına acil bir ihtiyaç vardır.
Jiangnan Üniversitesi’nden araştırmacılar, nitratı olağanüstü bir verimlilikle seçici olarak nitrojen gazına dönüştüren yeni bir çift tek atomlu katalizör geliştirdiler. Çalışma, şu tarihte yayınlandı: Eko-Çevre ve Sağlıkdemir ve magnezyum atom bölgelerini barındıran çift kabuklu, gözenekli karbon kürelerin, zararlı amonyak üretimini önlerken nitratın neredeyse tamamen giderilmesini nasıl sağladığını göstermektedir. %92,8 nitrat dönüşümü ve %95,2 nitrojen seçiciliği ile katalizör, uzun vadeli akış hücresi çalışmasında dikkate değer bir stabilite göstererek, sürdürülebilir atık su arıtma teknolojilerini ilerletme potansiyelini vurguladı.
Ekip, sıralı bir modüler düzenek ve piroliz stratejisi kullanarak FeNC@MgNC-DMCS katalizörünü tasarladı ve mekansal olarak ayrılmış atom bölgelerine sahip çift kabuklu mezogözenekli karbon küreleri üretti. İç kabuk Fe-N içerir4 nitrojen-nitrojen eşleşmesini hızlandıran bölgeler, dıştaki Mg-N ise4 kabuk, hidrojen dağılımını düzenlemek için bir “proton çiti” görevi görerek orta derecede baziklik yaratır. Bu mimari, aksi takdirde amonyak üretecek rekabet halindeki hidrojenasyonu en aza indirir.
Laboratuvar testleri, optimize edilmiş katalizörün %95,2 nitrojen seçiciliğiyle %92,8 nitrat giderimi sağladığını ve tek kabuklu veya tek metalli kontrollerden çok daha iyi performans gösterdiğini ortaya çıkardı. Yerinde kütle spektrometresi ve kızılötesi spektroskopiyi kullanan mekanik çalışmalar, reaksiyon yolunun N-H hidrojenasyonundan ziyade N-N bağlanmasını desteklediğini doğruladı.
Katalizör ayrıca geniş bir pH aralığında ve değişen nitrat konsantrasyonlarında esneklik sergilerken, girişim yapan iyonların varlığında yüksek seçiciliği korudu. Simüle edilmiş atık su ile yapılan sürekli akış hücresi deneylerinde, katalizör 250 saat boyunca >%90 giderim ve >%93 nitrojen seçiciliğini korumuştur. Daha da önemlisi, Fe ve Mg sızıntısı minimum seviyedeydi ve Dünya Sağlık Örgütü’nün içme suyu standartlarının oldukça altındaydı; bu da yapısal istikrarını ve çevre güvenliğini vurguluyordu.
Çalışmanın yazarlarından Profesör Hua Zou, “Bu çalışma, atom mühendisliğinin elektrokatalizdeki reaksiyon yollarını temelden nasıl değiştirebildiğini gösteriyor” dedi. “Demir katalitik merkezleri etrafına magnezyum bazlı bir proton çiti uygulayarak, amonyak oluşumuna yol açan yan reaksiyonları etkili bir şekilde önledik. Sonuç, yalnızca yüksek aktiviteye ulaşmakla kalmayıp aynı zamanda benzeri görülmemiş nitrojen seçiciliği elde eden bir katalizördür. Bu tür ilerlemeler, küresel su sürdürülebilirliği için acil bir sorun olan nitrat kirliliği için pratik, ölçeklenebilir çözümlere giden yolu açıyor.”
FeNC@MgNC-DMCS katalizörlerinin geliştirilmesi, temiz su teknolojileri için yeni olanaklar açıyor. Yüksek nitrat giderme verimliliği, mükemmel nitrojen seçiciliği ve uzun vadeli dayanıklılığıyla sistem, özellikle nitrat kirliliğinin şiddetli olduğu tarım ve endüstriyel ortamlardaki atık su arıtımı için uygundur.
Su arıtmanın ötesinde, hiyerarşik bir karbon çerçevesinde ikili tek atomlu bölgeleri birleştiren tasarım stratejisi, rakip reaksiyon yollarının dengelenmesini gerektiren diğer katalitik süreçlerin uyarlanması için bir plan sağlar. Hem çevre güvenliğini hem de operasyonel fizibiliteyi ele alan bu çalışma, nitrat kirliliğini azaltmayı ve sürdürülebilir kaynak yönetimini geliştirmeyi amaçlayan küresel çabalara katkıda bulunuyor.
