Un nuovo sistema solare converte i nitrati delle acque reflue in ammoniaca ad alto valore aggiunto
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Un gruppo di ricerca affiliato all'UNIST ha presentato una tecnologia innovativa che trasforma i nitrati presenti nelle acque reflue in ammoniaca, una sostanza chimica vitale e un promettente vettore energetico, senza emissioni di carbonio. Questo progresso non solo offre un metodo sostenibile per la produzione di ammoniaca, ma contribuisce anche agli sforzi di purificazione delle acque reflue.
Il team di ricerca, guidato dai professori Kwanyong Seo e Ji-Wook Jang della Scuola di Chimica dell'Energia dell'UNIST, ha annunciato di aver progettato con successo un sistema fotoelettrochimico (PEC) a energia solare in grado di convertire gli inquinanti nitrati in ammoniaca in condizioni ambientali.
L'ammoniaca è un prodotto chimico essenziale utilizzato a livello globale in agricoltura e nell'industria, con un consumo annuo che supera i 150 milioni di tonnellate. Il suo elevato contenuto di idrogeno la rende inoltre un candidato promettente per lo stoccaggio di energia di prossima generazione e per le soluzioni di trasporto. Tuttavia, il metodo industriale prevalente - il processo Haber-Bosch - si basa fortemente su condizioni di alta temperatura e alta pressione, con conseguenti significative emissioni di gas serra.
Il loro innovativo sistema PEC utilizza la luce del sole per guidare la riduzione dei nitrati senza bisogno di energia elettrica esterna, sfruttando le acque reflue come materia prima. I nitrati, se presenti in concentrazioni elevate, comportano rischi per la salute come la metaemoglobinemia e il cancro gastrico. La nuova tecnologia riduce selettivamente i nitrati in ammoniaca, affrontando efficacemente sia l'inquinamento delle acque che la sintesi sostenibile dell'ammoniaca.
Il sistema comprende un fotocatodo a base di silicio abbinato a un catalizzatore in lamina di nichel. La luce solare eccita il silicio, generando elettroni che vengono poi incanalati attraverso il catalizzatore di nichel per ridurre i nitrati in ammoniaca. Un'innovazione fondamentale consiste nella formazione di un sottile strato di idrossido di nichel (Ni(OH)₂) sulla superficie del catalizzatore durante il funzionamento, che sopprime le reazioni concorrenti come l'evoluzione dell'idrogeno e aumenta la selettività verso la produzione di ammoniaca.
Questo meccanismo è stato confermato da esperimenti approfonditi e da calcoli di meccanica quantistica. Il professor Suthsu Ryu del Dipartimento di Fisica dell'UNIST, utilizzando simulazioni di teoria funzionale della densità (DFT), ha dimostrato che Ni(OH)₂ offre siti attivi che favoriscono la riduzione del nitrato ad ammoniaca, abbassando le barriere energetiche coinvolte.
Il sistema ha raggiunto un tasso di produzione di ammoniaca record di 554 microgrammi per centimetro quadrato all'ora senza alcun condizionamento esterno, superando di oltre il 50% le tecnologie precedenti. Il sistema ha mantenuto le sue prestazioni su una scala più grande di 25 cm², indicando un potenziale promettente per l'applicazione nel mondo reale.
Il professor Seo ha sottolineato: "La conversione degli inquinanti nitrati in ammoniaca non solo purifica l'acqua, ma contribuisce anche alla neutralità del carbonio. Il nostro obiettivo è sviluppare dispositivi PEC pratici e su larga scala in grado di produrre ammoniaca all'aperto, utilizzando direttamente la luce del sole e le acque reflue come risorse".
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Pubblicazione originale
Wonjoo Jin, Hyunju Go, Juyeon Jeong, “Nickel Hydroxide Catalyzed Bias-free Photoelectrochemical NH3 Production via Nitrate Reduction,” Adv., Mat., (2025).
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