一步催化剂将污染物转化为水和空气

莱斯大学纳米技术水处理(NEWT)中心的工程师们发现了一种催化剂，可以将饮用水中的有毒硝酸盐转化为空气和水。

该研究可在美国化学学会期刊ACS Catalysis上在线获得。

“硝酸盐主要来自农业径流，影响了全世界的农业社区，”该研究的首席科学家赖斯化学工程师Michael Wong说。“硝酸盐既是环境问题又是健康问题，因为它们有毒。离子交换过滤器可以将它们从水中移除，但是这些过滤器需要每隔几个月冲洗一次以重复使用，当发生这种情况时，冲洗过的水只会将浓缩的硝酸盐返回到供水系统中。

Wong的实验室专门开发基于纳米颗粒的催化剂，亚微观的金属，加速化学反应。2013年，他的团队表明，点缀着钯斑点的微小金球可能会破坏亚硝酸盐，这是硝酸盐中毒性更强的化学物质。

“硝酸盐是具有一个氮原子和三个氧原子的分子，”Wong解释道。“硝酸盐如果失去氧气就变成亚硝酸盐，但亚硝酸盐比硝酸盐毒性更大，所以你不想停止使用亚硝酸盐。此外，硝酸盐是更普遍的问题。

“最终，除去硝酸盐的最佳方法是将它们完全分解为氮和氧，或者在我们的情况下，氮和水，因为我们添加少量氢气，”他说。“超过75%的地球大气是气态氮，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，特别是在美国玉米带和加利福尼亚中部山谷，肥料被大量使用，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。

硝酸盐和亚硝酸盐均受环境保护局的监管，环境保护局为安全饮用水设定了允许的限值。在污染的井和湖泊的社区，这通常意味着用离子交换树脂预处理饮用水，捕获和去除硝酸盐和亚硝酸盐而不破坏它们。

在之前的工作中，Wong的团队知道金 - 钯纳米粒子不是分解硝酸盐的良好催化剂。共同作者，黄氏实验室的研究科学家金赫克说，对已发表的科学文献的研究发现了另一种可能性：铟和钯。

“我们能够优化它，我们发现用铟覆盖约40%的钯球表面给了我们最活跃的催化剂，”Heck说。“它比我们之前发表的研究中发现的其他任何东西都高出约50%。我们本可以在那里停下来，但我们真的很想知道为什么它更好，为此我们必须探索这种反应背后的化学反应。“

与普渡大学的化学工程同事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，而钯显然使铟不会被永久氧化。

“铟喜欢被氧化，”赫克说。“从我们的原位研究中，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。但是当我们添加氢饱和水时，钯促使一些氧与氢结合并形成水，这导致铟保持在还原状态，在那里它可以自由地分解更多的硝酸盐。

Wong说，他的团队将与工业合作伙伴和其他研究人员合作，将这一过程转变为商业上可行的水处理系统。

“这就是NEWT的用武之地，”他说。“NEWT完全是为了获取基础科学发现并将它们部署在真实世界的条件下。这将是NEWT中的一个例子，我们已经找到了化学成分，下一步是创建一个流程系统，以显示该技术可以在现场使用的概念证明。“

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