תובנה ספקטרואלקטרוכימית על קטליזטורים של נחושת וקובלט להקטנה משולבת של CO2 וניטריט לאוריאה

הפיכת גזי פסולת לדשן

דשן האוריאה תומך בחקלאות המודרנית, אך הייצור המקובל שלו צורב אנרגיה ומשמיע פחמן רב. מחקר זה בוחן גישה שונה מאוד: שימוש בחשמל כדי להפוך פחמן דו-חמצני (CO2) ושפכי חנקן (כמו ניטריט מפלטים או מי שפכים) ישירות לאוריאה. לקורא שאינו מומחה, המשיכה ברורה: מסלול לייצור דשן חיוני שיכול להפחית פליטות, לנצל זרמי פסולת כחומרי גלם, וביום מן הימים להתבסס על חשמל ממקורות מתחדשים.

למה לחשוב מחדש על ייצור האוריאה?

כיום, אוריאה מיוצרת בעיקר על ידי ייצור אמוניה מניטרוגן וממימן שמקורו בפחמימנים (תהליך הבואר–בוש), ואז תגובה של האמוניה עם CO2 בטמפרטורות ולחצים גבוהים. שרשרת תגובות זו מרוכזת, דורשת השקעות הון גדולות ומשחררת כמעט טון CO2 לכל טון אוריאה מיוצר. עם הגידול בביקוש העולמי לדשנים, עולים גם העלויות הסביבתיות. אלטרנטיבה היא לדלג על דלקי מאובנים ולנהוג בצעדים הכימיים המרכזיים באמצעות חשמל, עדיף ממקורות מתחדשים, ולנצל CO2 וחמצני חנקן (NOx) שמטופלים כיום כפסולת.

תפקיד חדש לנחושת וקובלט

המחברים מתכננים קטליזטורים דקים שנעשו על ידי סופר-ריסוס משותף של נחושת (Cu) וקובלט (Co) על נייר פחמן, ומכוונים בקפידה את יחס ה-Cu:Co. הם מתמקדים בהפחתה האלקטרוכימית הסימולטנית של CO2 וניטריט (NO2⁻) במים בפי״ח ניטרלי, סביבה שיכולה לתמוך ביצירת קשרי פחמן–חנקן (C–N) הדרושים לאוריאה. ההרכב הבולט הוא תערובת 1:1 של Cu ו-Co, שמגיעה לקצב ייצור אוריאה של כ-61 מילימול לשעה לגרם קטליזטור במתח מוחל מתון. מיקרוסקופיה ומדידות קרני X מראות שהמתכות מעורבבות בקנה מידה אטומי ונשארות ברובן במצב מתכתי במהלך הפעולה, מספקות פלטפורמה עמידה שבה גם CO2 וגם ניטריט יכולים להגיב ביעילות.

איך הקטליזטור מחלק ומשתף את העבודה

ייצור אוריאה בדרך זו מאתגר כיוון שתגובות פשוטות יותר—כמו יצירת מימן גזי או הפחתת CO2 או ניטריט בנפרד—מתחרות בעוצמה. המפתח, מגלים החוקרים, הוא חלוקת עבודה בין אתרי נחושת ואתרי קובלט שעובדים יחד. בדיקות אלקטרוכימיות מראות שנחושת לבדה בעיקר ממירה CO2 לדלקים וחומרים פחמניים, בעוד שקובלט לבדו בעיקר ממיר ניטריט לאמוניה, ללא ייצור אוריאה במקרה של כל אחד בנפרד. רק כאשר אטומי Cu ו-Co מעורבבים בקרבה נראית יצירת אוריאה משמעותית. 'תצלומים' ספקטרוסקופיים הנלקחים במהלך התגובה מזהים שברי פני שטח אופייניים: מינים פחמניים שמקורם ב-CO2 (*CO ו-*COOH) המעדיפים נחושת, ומיני חנקן שמקורם בנטריט (*NH2 וקבוצות קשורות) שמעדיפים קובלט. בגבולות בין Cu ל-Co, שברים אלה יכולים להיפגש ולהתחבר כדי ליצור את השלד C–N של האוריאה.

מציאת התנאים הנכונים לבניית הקשרים

המחקר מראה שלהרכב לבדו אין די; יש לכוונן גם את הממס והממברנה שמקיפה. אוריאה מופיעה רק באלקטרוליט ביקרבונט ניטרלי, שמשאיר מספיק CO2 מומס וזורם והוא מספק בדיוק את כמות הפרוטונים (יוני מימן) הנכונה כדי להניע שלבי 'העברה של אלקטרון-מלווה פרוטון' מבלי להציף את המשטח בהתפתחות מימן. בתנאים חומציים חזקים או בסיסיים חזקים, אוריאה או שלא נוצרת או שמתפרקת במהירות לתוצרים פשוטים יותר. ניסויים עם מקורות חנקן שונים מראים שניטריט יעיל במיוחד ליצירת אוריאה, ועמד על ביצועים טובים יותר מאשר ניטרט והידרוקסילאמין. מבחנים שנמשכו שעות רבות מצביעים על כך שסרטי ה-Cu–Co יציבים יחסית, עם אובדן מתכות מתון וייצור אוריאה מתמשך.

הביטו מתחת למכסה עם תיאוריה

כדי להבין מדוע קטליזטור טנדם זה עובד כל כך טוב, הצוות פונה לסימולציות ממוחשבות מבוססות תורת הפונקציונל הצפוף. חישובים אלה תומכים ברעיון שנחושת מעדיפה קשירה של מינים שמקורם ב-CO2, בעוד שקובלט מפעיל טוב יותר את הניטריט ומייצב שברי חנקן. הסימולציות מצביעות על שלב מסוים כצוואר בקבוק אנרגטי: חיבור שבר *NH2 (מניטריט) עם שבר *COOH (מ-CO2) כדי ליצור ביניים שלעיתים כותבים כ-*NH2CO. לאחר שהשלב הזה נוצר, השלבים שנותרו עד לאוריאה קלים יחסית. הממשק בין Cu ל-Co מוריד את עלות האנרגיה של החיבור החיוני הזה בהשוואה לנחושת טהורה או קובלט טהור, מה שמסביר את העלייה שנצפתה בניסוי בתשואה לאוריאה במערכת הביתי-מתכתית.

ממעבדת המחקר לדשן ירוק יותר

במונחים מעשיים, עבודה זו עדיין לא מחליפה את מפעלי האוריאה הענקיים של היום, אך היא מבהירה כיצד ניתן לעצב מסלול אלקטרוכימי עתידי. בהדגמתן שנחושת וקובלט יכולים לפעול בסינרגיה—האחת מספקת מינים פחמניים מופעלים, השנייה מינים חנקניים מופעלים, שניהם תחת תנאי פרוטון מבוקרים בקפידה—המחקר ממפה מסלול ריאלי לעבר ייצור אוריאה נקי יותר, פוטנציאלית מבוזר, שמשתמש ב-CO2 ופסדי חנקן כמשאבים במקום כמזהמים.

ציטוט: Ramadhany, P., Trần-Phú, T., Yuwono, J.A. et al. Spectroelectrochemical insight into copper cobalt catalysts for CO₂ and nitrite co-electroreduction to urea. Nat Commun 17, 1776 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68481-6

מילות מפתח: סינתזת אוריאה אלקטרוכימית, קטליזטור נחושת-קובלט, ניצול CO2, הפחתת ניטריט, קישור C–N