Электрохимическое преобразование нитратов, содержащихся в загрязнённой воде, в аммиак предлагает потенциально экологически чистое решение для очистки воды, производства удобрений без использования ископаемых и топлива без выбросов углерода. Однако найти эффективный и недорогой способ сделать это было непросто. Исследователи из Йельского университета, возможно, нашли решение. Результаты [опубликованы](https://www.nature.com/articles/s44286-025-00237-3) в Nature Chemical Engineering.
Нитраты, загрязняющие сточные воды, могут быть преобразованы в аммиак, который затем может быть использован для производства удобрений, топлива без углерода и других полезных продуктов. Основные проблемы, связанные с этим процессом, заключаются в том, что исследователи называют селективностью и активностью. То есть вы хотите преобразовать нитраты в аммиак, создавая при этом минимальное количество побочных продуктов, и вы хотите сделать это быстро, — объясняет Лиа Винтер, которая возглавляла исследование и является профессором химической и экологической инженерии.
Один из способов решения этих проблем — инновации в области электрокатализаторов, которые запускают реакции преобразования. «Манипулируя свойствами материала, вы можете сделать катализатор более активным и более селективным», — говорит Винтер. Но это может быть дорого.
«Когда вы используете дорогие материалы и сложные методы синтеза для создания этих точно настроенных наноструктурированных материалов, вы добавляете много затрат», — говорит Винтер. «И если мы получаем что-то дорогостоящее из-за этих дорогих металлов, то это становится невыгодным. Особенно это актуально, когда вы пытаетесь снизить уровень нитратов в сточных водах с помощью этого метода».
Группа исследователей Винтер применила двухсторонний подход. Во-первых, они добавили в свою систему ионофор — молекулу, притягивающую определённые ионы, в данном случае нитриты. Это полезно, потому что при преобразовании нитратов в аммиак нитриты являются побочным продуктом, который образуется в процессе. Иногда он уходит обратно в воду до того, как будет полностью преобразован в аммиак.
«Итак, наша хитрость заключалась в том, чтобы включить ионофор, который хорошо удерживает нитриты поблизости, позволяя им преобразовываться в аммиак до того, как они будут выпущены обратно в воду. И это наш ключ к получению очень высокой селективности по аммиаку», — говорит Винтер.
Для второй части своей технологии они включили электрифицированную мембрану, изготовленную из меди и углеродных нанотрубок, — электрохимическую платформу преобразования, в которой специализируется лаборатория Винтер. Именно это позволяет системе так быстро преобразовывать аммиак в нитраты.
«Часть проблемы заключается в том, что, поскольку мембрана работает так быстро, вы фактически получаете много нитритов», — говорит Винтер. «Но когда мы объединяем электрифицированную мембрану с ионофором, мы получаем как очень высокую активность, так и высокую селективность по аммиаку, не жертвуя одним ради другого».
По сравнению с другими системами, ориентированными на селективность и активность, система Винтер значительно опережает их. В то время как другие системы работают в течение нескольких часов, метод Винтер пропускает нитраты через мембрану и преобразует их в аммиак всего за шесть секунд. Более того, впечатляющие 92% нитратов превращаются в аммиак.
Чтобы протестировать свою систему в реальных условиях, исследователи использовали её на воде из озера рядом с кампусом Йельского университета и на очистных сооружениях сточных вод в Университете Коннектикута. В обоих случаях они обнаружили, что их система прошла решающий тест на стабильность в течение нескольких часов. Кроме того, поскольку мембраны очень гибкие, Винтер говорит, что есть возможности для масштабирования до уровня обычных процессов очистки воды.
Предоставлено [Йельским университетом](https://phys.org/partners/yale-university/)