Мочевина как ресурс: от проблемы к решению.

В сравнении с реакцией выделения кислорода (синий график) реакция окисления мочевины (красный график) кобальтом и никелем показывает низкий начальный потенциал, быстрое развитие реакции и хорошую избирательность (точность). Источник.

Сельскохозяйственная деятельность, особенно с началом применения удобрений, одарила человечество невиданной прежде роскошью продуктового изобилия. Однако сегодня мы знаем, что наряду с неотъемлемыми плюсами медовое богатство яств на наших столах сулит не меньшую долю дёгтя нашей планете. Играя ключевую роль в повышении урожайности и улучшении качества сельскохозкультур, удобрения, содержащие азот, фосфор, калий и другие важные питательные элементы, несут огромный вред экосистемам.

Чрезмерное использование удобрений в погоне за прибылью, вызывает загрязнение водоёмов и земли, может приводить к эрозии почв, провоцируя ускорение так называемого наступления пустынь. В другом варианте ‒ высокие концентрации азота и фосфора, попавшие в водные экосистемы, весьма способствуют буйству водной растительности и появлению целых зарослей водорослей, впоследствии нередко приводя к заболачиванию местности. Всё это, угрожая жизни не только рыб, но и сухопутных организмов, нарушает экологическое равновесие в каждом отдельном случае и накапливается, в конце концов пагубно сказываясь на нашей среде обитания и на нас самих. Получается, что наша пищевая безопасность стала угрожать не только нашему здоровью, а всей планете.

Но что делать, если, с одной стороны, без использования удобрений мы не можем обеспечить необходимые пищевые ресурсы для всего человечества, а с другой, наши негативные влияния на природу нарастают, как снежный ком?

Здесь метод мало чем отличается от борьбы с загрязнением воздуха: для снижения негативного воздействия сельскохозяйственных удобрений на окружающую среду наука ищет новые способы их создания, применения и утилизации, а также постоянно разрабатываются системы очистки почв и водных ресурсов.

Например, на днях исследователи из Вустерского политехнического института (WPI) разработали материал, позволяющий удалять из воды мочевину ‒ азотное соединение, входящее во многие виды удобрений и само по себе являющееся одним из самых распространённых из них. Мало того, команда заявляет о потенциальной возможности получать на выходе реакции газообразный водород. Эти перспективы стали доступны благодаря применению атомов никеля и кобальта с тщательно подобранной электронной структурой, что позволяет оксидам и гидроксидам этих переходных металлов избирательно окислять мочевину в электрохимической реакции.

Учёные надеются, что в будущем их работа поспособствует восстановлению окружающей среды от стоков мочевины, путём её электролиза для производства водорода. Исследование, проведённое под руководством Сяовея Тэнга, профессора химической инженерии, было опубликовано в журнале Journal of Physical Chemistry Letters.

Проблема удаления мочевины из воды

Мочевина (она же карбамид) – это недорогое азотное сельскохозяйственное удобрение и натуральный продукт метаболизма человека. Доступность этого вещества делает невероятно распространёнными его продукты распада, отчего столь заметна его роль во влиянии на природу. Например, доля азота в его составе ‒ около 45%. Именно благодаря столь высокому его содержанию сельскохозяйственные и городские стоки вызывают эвтрофикацию – обильное цветение водорослей в водоёмах, создающее условия для кислородного голодания, разрастающегося до целых мёртвых зон. Это не может не сказываться на водной среде и нашем здоровье как потребителей водных ресурсов.

В то же время мочевина может стать отличным хранилищем водорода: обладая уникальными характеристиками, она позволяет легко изымать его, когда потребуется. Мало того, мочевина нетоксична, хорошо растворяется в воде и содержание водорода в ней довольно высоко ‒ 6,7%. Таким образом, её электролиз для получения водорода выглядит более эффективным и экономичным, чем электролиз той же воды.

Однако стоимость этих реакций, помноженная на объём мочевины, подлежащий переработке или утилизации, делает всю затею весьма дорогим предприятием. Науке известно, что финансовый вопрос проектов по электролизу мочевины всегда упирался в соотношение цены и эффективности существующих катализаторов реакции, главное свойство которых ‒ избирательное окисление мочевины, а не воды.

В преодолении этого порога и заключается суть изобретения профессора Тэнга и его команды. Они нашли решение, создав электрокатализаторы из естественно взаимодействующих атомов никеля и кобальта, обладающих уникальной электронной структурой, для целенаправленного окисления растворённой в водоёмах и сточных водах мочевины.

Открытие повышенной избирательности и активности

Обнаружив путём теоретических изысканий, что электрохимическую активность и избирательность к окислению мочевины может дать создание уникальных электронных структур с доминирующими видами никеля и кобальта (Ni ²⁺ и Co ³⁺), исследователи сосредоточились на гомогенных оксидах и гидроксидах этих металлов. 

«Эта электронная конфигурация является ключевым фактором для улучшения избирательности окисления мочевины, поскольку мы наблюдаем, что более высокая валентность никеля, такого как Ni ³⁺, действительно помогает вызвать быструю реакцию с сильным выходным электрическим током; однако большая часть тока возникла вследствие нежелательного окисления воды», ‒ говорит Тэнг.

Пролить свет на этот эффект и преодолеть его позволило сотрудничество с Аароном Дескинсом, профессором химического машиностроения в WPI. Сделанное им компьютерное моделирование обнаружило, что гомогенное смешивание оксидов и гидроксидов никеля и кобальта способствует перераспределению электронов от частиц Ni ²⁺ к Co ³⁺ и сдвигу валентных электронов в сторону более высоких энергий. Как следствие ‒ катализаторы Ni/Co оказались лучше подготовлены к участию в связывании с молекулами мочевины и воды.

Эта находка придала решающее значение всему исследованию: получившиеся реактивные и избирательные электрокатализаторы для реакции окисления мочевины позволяют снова вести разработки технологий преобразования энергии из этого сырья. В сравнении с реакцией выделения кислорода, эти реакции с изначально низким потенциалом весьма значительно усиливают синергетические взаимодействия в смешанных оксидах и гидроксидах никеля и кобальта. Они также демонстрируют быструю кинетику реакции и хорошую избирательность, что раскрывает и подчёркивает важность настройки валентных зарядов для разработки высокопроизводительных и точных электрокатализаторов.

Применение и перспективы на будущее

Оставаясь и сегодня основным азотным удобрением и кормовой добавкой, карбамид производился ещё в 1920-х годах, и с развитием сельскохозяйственных технологий доля его применения только росла. Так, в 2021 году было произведено около 180 млн тонн. Он просто в производстве, да и из природных источников получать его можно довольно легко. Например, взрослый человек производит 1,5 л мочи в день, а за год это составит примерно 11 кг мочевины и 0,77 кг водорода.

Как бы то ни выглядело забавно, но технологические, исторические и политические выкрутасы действительности прямым текстом нам говорят, что зарекаться ни от чего не стоит. Вполне может быть, что и этот возобновляемый ресурс мы когда-нибудь будем использовать ‒ скажем, для энергообеспечения движения общественного транспорта. Для больших городов это актуальный вопрос. Взять, к примеру, Санкт-Петербург: это более 4 тысяч тонн газа в год или 11 тонн/сутки. Насколько этого хватит? Говорят, легковому автомобилю на 100 км пути понадобится 1 кг водорода, а вот бензина АИ-92 ‒ уже 5,88 кг. Как говорится, профит.

До этого пока далеко, но выводы о том, что теперь можно говорить о промышленном внедрении мочевины как средства для хранения и эффективного производства водорода посредством электролиза, вселяют надежду на ещё большее сокращение роли «ископаемого топлива» в энергосистеме цивилизации и снижение темпов катастрофического изменения климата. Кроме того, данная работа предоставила возможность и экологам, и у минздравам проследить изменения состояния экологических систем и влияние их на здоровье населения, а также поддерживать стрессоустойчивость этих систем, нивелируя наше воздействие в долгосрочной перспективе.  

АРМК, по материалам Вустерского политехнического института.