به نقل از آی‌ای، ایده تبدیل نیترات به آمونیاک چیز جدیدی نیست، اما انجام این فرایند به‌صورت کارآمد و مقرون‌به‌صرفه همواره چالشی جدی برای دانشمندان بوده است. مشکل اصلی در این است که چطور می‌توان این تبدیل را هم با کمترین مواد جانبی ناخواسته یا به اصطلاح گزینش‌پذیری و هم با سرعت بالا انجام داد.

تا پیش از این، تلاش‌ها اغلب بر استفاده از مواد گران‌قیمت و فرآیندهای ساخت پیچیده برای بهبود عملکرد الکتروکاتالیست‌ها متمرکز بود. اما به گفته‌ پروفسور لیا وینتر (Lea Winter) از دانشگاه ییل، «وقتی از مواد گران‌قیمت و روش‌های سنتز پیچیده برای ساخت نانو ساختارهای دقیق استفاده می‌کنید، هزینه‌ها سر به فلک می‌کشد، به‌ویژه اگر بخواهید این فرایند را در مقیاس بزرگ برای فاضلاب انجام دهید.»

دو نوآوری کلیدی

گروه محققان ییل به رهبری پروفسور وینتر، روشی دوگانه ارائه کرده که می‌تواند همه چیز را تغییر دهد: روش اول این است که آن‌ها در سیستم خود از یک ماده خاص به ‌نام یونوفور (Ionophore) استفاده کردند. این ماده مانند آهن‌ربا عمل می‌کند و نیتریت را که محصول جانبی ناخواسته‌ای است که در فرایند تبدیل نیترات به آمونیاک ایجاد می‌شود، در کنار خود نگه می‌دارد.

بدین ترتیب، نیتریت پیش از آن‌که وارد آب شود، فرصت کافی دارد تا به آمونیاک تبدیل شود و میزان آمونیاک قابل‌استفاده به‌طور چشم‌گیری افزایش می‌یابد.

نوآوری دوم، استفاده از غشای الکتریکی است که به‌عنوان سکوی «تبدیل الکتروشیمیایی» عمل می‌کند. این غشاء از ترکیب مس (Copper) و نانولوله‌های کربنی ساخته شده و سرعت تبدیل نیترات به آمونیاک را به‌شدت افزایش می‌دهد.

البته این سرعت بالا گاهی باعث تولید بیش از حد نیتریت می‌شد. اما با ترکیب این غشاء با یونوفور، آن‌ها به‌طور هم‌زمان به دو هدف رسیدند: سرعت و گزینش‌پذیری بالا.

پروفسور وینتر توضیح می‌دهد: بخشی از چالش این بود که چون غشاء بسیار سریع عمل می‌کرد، نیتریت زیادی تولید می‌شد. اما زمانی‌که این غشاء را با یونوفور ترکیب کردیم، هم فعالیت بالایی به‌دست آوردیم و هم توانستیم گزینش‌پذیری آمونیاک را حفظ کنیم بدون آن‌که یکی فدای دیگری شود.

تبدیل نیترات به آمونیاک در ۶ ثانیه

نتیجه نهایی چشم‌گیر است: سیستم جدید دانشگاه ییل توانست نیترات را تنها در عرض «۶ ثانیه» به آمونیاک تبدیل کند که فرآیندی است که معمولا چند ساعت زمان می‌برد. همچنین این روش به نرخ تبدیل خیره‌کننده ۹۲ درصد برای تولید آمونیاک دست یافته است.

پژوهشگران حتی این فناوری را روی آب واقعی از یک دریاچه و یک تصفیه‌خانه فاضلاب آزمایش کردند و سیستم عملکرد پایداری در طول چند ساعت داشت که نشان‌دهنده کاربردی بودن آن در شرایط واقعی است.

با استفاده از این فناوری جدید، پژوهشگران امیدوارند که بتوان آن را در مقیاس بزرگ برای فرآیندهای معمول تصفیه آب به‌کار برد. این دستاورد نه‌تنها به کاهش آلودگی آب کمک می‌کند، بلکه منبعی پایدار را برای تولید کود و سوخت نیز فراهم می‌کند.