伊利諾伊大學芝加哥分校（UIC）的工程師們創造了一種太陽能電化學反應，它不僅利用廢水製造氨（世界上產量第二大的化學品），而且還實現了太陽能到燃料的效率，比任何其他可比技術好 10 倍。他們的研究結果發表在《能源與環境科學》上，這是一本研究能源輸送和環境保護交叉問題的頂級期刊。
首席研究員、UIC 工程學院化學工程助理教授 Meenesh Singh 說：“這項技術和我們的方法在允許按需合成肥料方面有很大的潛力，並可能對發達國家和發展中國家的農業和能源部門，以及對減少化石燃料產生的溫室氣體的努力產生巨大影響”。
氨是一個氮原子和三個氫原子的組合，是化肥和許多製成品（如塑料和藥品）的一種關鍵化合物。目前用氮氣製造氨的方法需要燃燒化石燃料產生的大量熱量，以打破氮原子之間的強鍵，使它們能夠與氫氣結合。這個有百年歷史的過程產生了全球溫室氣體排放的很大一部分，這是氣候變化的驅動力。
此前，辛格和他的同事開發了一種環境友好的方法，通過在水基溶液中用帶電的、覆蓋著催化劑的網篩過濾純氮氣來製造氨。這種反應只使用了極少量的化石燃料能源來電化網屏，從而分解氮原子，但它產生的氫氣（80%）多於氨氣（20%）。
現在，研究人員在該基礎上進一步改進，並開發出了一種新的方法。它們利用硝酸鹽（最常見的地下水污染物之一）來提供氮氣，並利用太陽光來電化反應。該系統產生近 100% 的氨，氫氣副反應幾乎為零。該反應不需要化石燃料，也不產生二氧化碳或其他溫室氣體，其對太陽能的利用產生了前所未有的太陽能-燃料效率，即STF，為 11%，比任何其他生產氨的先進系統（約1%的STF）好10倍。
這種新方法依賴於一種鈷催化劑，研究人員在他們發表在《能源與環境科學》雜誌上的論文《太陽能驅動的電化學合成氨，在環境條件下具有11%的太陽能-燃料效率》中描述了這種催化劑和新工藝。
為了確定催化劑，研究人員首先應用計算理論來預測哪種金屬的效果最好。在通過這些模型確定了鈷之後，研究小組對這種金屬進行了實驗，嘗試用不同的方法來優化其在反應中的活性。研究人員發現，由氧化產生的粗糙的鈷表面在創造一個具有選擇性的反應方面效果最好，這意味着它幾乎將所有的硝酸鹽分子轉化為氨。
辛格說：“使用廢水硝酸鹽意味着我們還必須從地表和地下水中清除污染物。隨着時間的推移，這意味着這個過程可能同時有助於糾正工業廢物和徑流水，並重新平衡氮循環，特別是在農村地區，這些地區可能會經歷經濟上的不利因素，或承擔著接觸過量硝酸鹽的最大風險”。
他繼續說道：“我們都對這一成就感到非常興奮，而且我們不會在此止步。我們希望我們很快就會有一個更大的原型，我們可以在更大的範圍內進行測試，我們已經在與市政公司、污水處理中心和行業內其他機構合作，進一步開發該系統”。