催化反应过程
美国莱斯大学铟钯催化剂一步法将硝酸盐转化为水和空气
 最后更新:2018-01-10  作者:佚名  浏览:362次

  美国莱斯大学纳米技术水处理(NEWT)中心的工程师已经发现了一种铟钯纳米颗粒催化剂,通过将饮用水中的有毒硝酸盐转化为空气和水来清除这些污染物。

  该研究论文可在美国化学学会期刊ACS Catalysis在线获得。 

  这项研究的首席科学家,莱斯大学化学工程师Michael Wong说:“硝酸盐主要来自农业径流,影响到世界各地的农业社区。硝酸盐既是环境问题也是健康问题,因为它们是有毒的。离子交换过滤器可以将它们从水中除去,但是这些过滤器需要每隔几个月冲洗一次才能再次使用,当这种情况发生时,冲洗过的水不得不将浓缩的硝酸盐返回自然。”

  Wong的实验室专门研发基于纳米颗粒的催化剂,加速化学反应的亚微米金属粒。2013年,他的团队表明,点缀着钯金的小金球可能会分解亚硝酸盐,一种比硝酸盐毒性更大的化学物质。

  “硝酸盐是有一个氮原子和三个氧原子的分子,”Wong解释说。“硝酸盐如果失去了氧气就变成了亚硝酸盐,但是亚硝酸盐比硝酸盐的毒性更大。”

  他说:“最终,除去硝酸盐的最好方法是将其完全分解成氮气和氧气,或者像我们这样处理成氮气和水,因为我们加入了少许氢气。地球上75%以上的大气是氮气,所以我们真的把硝酸盐转化为空气和水。”

  硝酸盐对婴儿和孕妇有毒,也可能致癌。硝酸盐污染在农业社区很常见,特别是在肥料大量使用的美国玉米带和加州中部谷地,一些研究表明,由于土地利用方式的变化,硝酸盐污染正在上升。

  硝酸盐和亚硝酸盐在美国均由环境保护局(Environmental Protection Agency)进行管理,该机构规定了安全饮用水的允许限量。在受污染的水井和湖泊的社区,这通常意味着用离子交换树脂预处理饮用水,这些树脂可以捕获和去除硝酸盐和亚硝酸盐,而不会破坏它们。

  从他们以前的工作中,Wong的团队知道金钯纳米颗粒不是分解硝酸盐的好催化剂。实验室研究科学家合著者金Kim Heck表示,对已发表的科学文献的检索揭示了另一种可能性:铟和钯。

  Heck说:“我们能够优化这一点,我们发现用铟覆盖约40%的钯球表面,为我们提供了最活跃的催化剂。我们在之前发表的研究中发现的效率大约高出50%,我们可以在这里停下来,但是我们真的有兴趣了解为什么它更好,因此我们必须研究这种反应背后的化学反应。

  与Purdue大学的化学工程学同事Jeffrey Miller和休斯顿大学的Lars Grabow合作,Rice团队发现,铟加速了硝酸盐的分解,而钯显然使铟永久氧化。

  “铟喜欢被氧化,”赫克说。“从我们的现场研究中,我们发现将催化剂暴露在含有硝酸盐的溶液中会导致铟被氧化,但是当我们加入氢饱和水时,钯会促使一些氧与氢结合形成水,导致铟保持在还原状态,从而它可以自由分解更多的硝酸盐。”

  Wong说,他的团队将与工业伙伴和其他研究人员合作,把这个过程变成一个商业上可行的水处理系统。