Immagina un mondo in cui l'acqua inquinata non solo viene depurata in modo efficiente, ma contribuisce anche alla produzione on-demand di idrogeno. I ricercatori dell'Istituto Politecnico di Worcester (WPI) hanno compiuto un passo significativo verso questa visione sviluppando un materiale in grado di rimuovere l'urea dall'acqua e con il potenziale di convertirla in gas idrogeno.
L'urea è un comune fertilizzante agricolo ricco di azoto e un sottoprodotto del metabolismo umano, e presenta sfide ambientali quando è presente in eccesso nell'acqua. Lo scolo agricolo e lo scarico di acque reflue ricche di urea contribuiscono alla formazione di fioriture algali nocive e zone morte ipossiche, danneggiando gli ambienti acquatici e la salute umana.
Tuttavia, le proprietà uniche dell'urea, come la sua natura non tossica, l'alta solubilità in acqua e il contenuto significativo di idrogeno, la rendono un potenziale candidato per lo stoccaggio e la produzione di idrogeno.
Il problema nell'utilizzare l'urea per la produzione di idrogeno è stata la mancanza di elettrocatalizzatori economici e altamente efficienti che ossidano selettivamente l'urea invece dell'acqua. Teng e il suo team al WPI hanno affrontato questa sfida creando elettrocatalizzatori composti da atomi di nichel e cobalto che interagiscono sinergicamente con strutture elettroniche uniche, come dettagliato nel loro studio.
La ricerca del team si è concentrata su ossidi e idrossidi omogenei di nichel e cobalto, scoprendo che la personalizzazione di strutture elettroniche uniche con specie dominanti Ni2+ e Co3+ era cruciale per migliorare l'attività elettrochimica e la selettività per l'ossidazione dell'urea.
Le simulazioni computazionali condotte dal professore Aaron Deskins al WPI hanno supportato le scoperte sperimentali, mostrando che la miscelazione omogenea di ossidi e idrossidi di nichel e cobalto facilitava la ridistribuzione degli elettroni, ottimizzando i catalizzatori per legarsi alle molecole di urea e acqua.
Le applicazioni di questa scoperta sono vaste. L'urea è un importante fertilizzante azotato e additivo per mangimi prodotto commercialmente da decenni, con circa 180 milioni di tonnellate metriche prodotte solo nel 2021. Le scoperte del team potrebbero rivoluzionare l'uso dell'urea, non solo producendo efficientemente idrogeno dai reflui, ma contribuendo anche alla sostenibilità a lungo termine dei sistemi ecologici.