Использование недопотенциально адсорбированного водорода позволяет энергоэффективно электровосстанавливать нитраты в аммиак

Преобразование отходов в полезный ресурс

Аммиак — краеугольный камень современной сельскохозяйственной и промышленной деятельности, но большая его часть по‑прежнему производится по столетнему процессу Хабера–Боша, который потребляет значительные количества ископаемого топлива и выделяет большое количество углекислого газа. В то же время нитратное загрязнение от удобрений и промышленных сточных вод угрожает рекам, озёрам и питьевой воде. В этом исследовании рассматривается путь решения обеих проблем одновременно: использование электроэнергии для прямого превращения нитрата в щелочной воде в аммиак с более эффективным использованием энергии и при затратах, сопоставимых с затратами крупных химических заводов.

Почему аммиак и нитрат важны

Аммиак кормит миллиарды людей через удобрения и также рассматривается как потенциальное чистое топливо и промышленные исходные вещества. Однако стандартный маршрут производства вносит существенный вклад в глобальные выбросы углерода и энергопотребление. Нитрат, с другой стороны, является распространённым загрязнителем в сточных водах и сельскохозяйственном стоке. Электрохимические устройства, питаемые возобновляемой электроэнергией, в принципе могут превращать нитрат обратно в аммиак, замыкая азотный цикл. Существующие системы уже способны производить аммиак с впечатляющими скоростями, но часто теряют энергию и испытывают трудности в конкуренции по стоимости с заводами Хабера–Боша.

Новый катализатор, похожий на фермент

Исследователи разработали специальный твёрдый катализатор из серебра и рутения, собранный в пористую трёхмерную структуру. Под микроскопом серебро образует губчатую структуру, полную крошечных полостей, а рутений покрывает внутренние поверхности ультратонким слоем. Такая компоновка имитирует то, как ферменты направляют молекулы через узкие каналы, выстланные различными активными участками. В этом случае молекулы нитрата сначала сталкиваются с областями серебра, которые отщепляют кислород и превращают нитрат в нитрит, а затем перемещаются к соседним участкам рутения, где они далее гидрируются до аммиака. Команда показала, что серебро и рутений остаются отдельными металлическими фазами, очень плотно соседствуя, а не образуют единый сплав — это ключ к их взаимодополняющим ролям.

Использование «скрытого» водорода для эффективного превращения

Центральная идея работы — использовать тонкую форму водорода, которая адсорбируется на металлических поверхностях при потенциалах более положительных, чем те, при которых обычно образуется газообразный водород. Этот «недопотенциальный» водород служит удобным запасом протонов на поверхности рутения, которые можно передавать напрямую нитриту и другим промежуточным продуктам реакции, не тратя энергию на образование пузырьков водорода. Эксперименты и компьютерное моделирование показали, что электронное взаимодействие между серебром и рутением облегчает разложение воды на рутении, быстро формируя этот поверхностный водород, одновременно усиливая связывание поверхностных гидроксильных групп. Эти гидроксильные группы помогают удалять избыток водорода, восстанавливая воду, что удерживает рутениевые участки достаточно открытыми для адсорбции и реакции нитрата и нитрита.

Эффективность в чистой воде и сточных водах

При испытании в сильно щелочном растворе серебряно‑рутениевый катализатор демонстрировал очень высокие скорости превращения нитрата в аммиак и практически идеальную селективность в сторону аммиака в широком диапазоне концентраций нитрата — от следовых до концентрированных потоков. При умеренных приложенных напряжениях система достигла энергоэффективности полуклетки 53,7 процента, что близко к эталону, установленному процессом Хабера–Боша, и сохраняла высокую работоспособность даже в сложных моделируемых и реальных промышленных сточных водах. Сочетание нитрат‑восстанавливающего катода с анодом, окисляющим водород, в проточном элементе позволило устройству работать при промышленно значимых плотностях тока с низким общим напряжением ячейки, а при благоприятных условиях иногда наблюдался небольшой чистый выход энергии.

Затраты и перспективы влияния

Экономический анализ показывает, что при использовании нового катализатора и конструкции ячейки с помощью водорода стоимость электрохимически произведённого аммиака может опуститься ниже примерно 1,15 доллара США за килограмм, что сопоставимо с типичной ценой традиционно произведённого аммиака. Это справедливо в широком диапазоне рабочих токов и остаётся жизнеспособным даже когда нитрат собирают из сточных вод, а водород получают из природного газа — с улавливанием углерода или без него. Выявив, как сила связывания кислорода на рутении контролирует использование поверхностного водорода и адсорбцию нитрата, исследование также предлагает практическое руководство по проектированию лучших катализаторов. Для неспециалистов ключевая мысль такова: может стать возможным превращать нитратное загрязнение воды в ценный аммиак с помощью электроэнергии при сопоставимом энергопотреблении и стоимости, помогая очищать окружающую среду и обеспечивать важное химическое сырьё.

Цитирование: Zhang, L., Liu, R., Liang, X. et al. Exploiting underpotential deposited hydrogen enables energy-efficient nitrate electroreduction to ammonia. Nat Commun 17, 4652 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71299-x

Ключевые слова: восстановление нитратов, синтез аммиака, электрокатализатор, серебро рутений, очистка сточных вод