Increasing the Efficiency of Electrochemical Nitrogen Fixation by Using a Direct Nitrate-to-Urea Pathway
Notice bibliographique
Résumé
With the increasing demand and application of nitrogen fertilizers, electrochemical urea synthesis from CO2 and NO3- is seen as a great alternative to bypass heavily fossil fuel-based production and remediate agricultural leaching. However, urea synthesis remains underdeveloped with a handful of existing literature due to the lack of understanding of reaction conditions. This thesis summarizes my efforts to understand nitrogen electrochemical reduction (Chapter 2), carbon dioxide reduction (Chapter 3), and the combination of two reactions to synthesize urea (Chapter 4). Chapter 2 describes a strategy to improve nitrogen conversion to ammonia catalytic performance via catalyst facet design. We challenged conventional wisdom and found that smooth low-energy facets outcompete irregular high-energy facets on nickel sulfide catalysts. Chapter 3 describes a carbon dioxide conversion project with molecular catalysts to understand CO2 reduction in aqueous systems. We showed adjusting terminal functional groups on metalloporphyrins could affect the electron density on the metal center, thus further altering the reaction pathway. Chapter 4 initially describes our experience in reproducing early studies results, the electrolyte impacts on urea electrosynthesis, and limitations on previous urea detection methods. Initially, we concluded urea synthesis is achievable on a copper catalyst with small current densities and proper electrolyte conditions. NO3- concentration is the most impactful factor and can vary urea selectivity from 0% to 50%. NO2- is observed as the major competing product under small bias and shares a scaling relationship with urea. In the second part of Chapter 4, we demonstrate that limitations in the current colorimetric and 13C NMR methods can lead to false conclusions, which overthrow our previous results. We provide guidelines for reliable urea detection and advocate liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) as the ultimate detection method due to its high sensitivity for ppm-level urea and isotope-coupled resolving ability. By using a simple LC-MS protocol, ppm-level urea concentrations can be firmly proven with/without isotope labeling reactants.
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Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,002 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».