La conversion électrochimique de l'azote en ammoniac est l'alternative la plus prometteuse du procédé Haber-Bosch traditionnel pour obtenir la fixation de l'azote dans des conditions ambiantes. Dans cette stratégie, l'activation des triples liaisons à haute énergie de l'azote est le goulot d'étranglement le plus important, et est généralement considérée comme l'étape déterminante de la synthèse de l'ammoniac. Des scientifiques basés en Chine ont réussi à modifier l'étape déterminante de la réduction électrochimique de l'azote, et décrit des orientations pour la conception future de catalyseurs.

L'ammoniac est un précurseur générique pour la fabrication d'engrais et de la plupart des produits chimiques organiques contenant de l'azote. À ce jour, la production industrielle d'ammoniac est principalement réalisée par le procédé Haber-Bosch, dans lequel l'azote est fixé à l'aide du réducteur chimique hydrogène. Cependant, malgré plus de 100 ans de développement, ce processus nécessite encore des conditions difficiles, y compris hautes températures (673-873 K) et pressions (20-40 MPa), représentant 1,5% de la consommation mondiale d'énergie. Dans ce contexte, c'est une technologie durable et moins énergivore pour produire de l'ammoniac est essentielle.

Une méthode alternative pour réaliser la fixation de N2 dans des conditions ambiantes est la réaction de réduction électrocatalytique de N2 (NRR) utilisant des protons de l'eau comme source d'hydrogène et alimentée par des sources d'électricité renouvelables. Cependant, en pratique, il est encore difficile d'atteindre les performances NRR souhaitées, ce qui provoque une grande perte d'énergie. Le principal défi réside dans l'activation de la triple liaison inerte azote-azote, qui est généralement considérée comme l'étape déterminante de la vitesse. Dans ce contexte, les catalyseurs hautement actifs qui pourraient modifier l'étape déterminante de la vitesse de la synthèse électrochimique de l'ammoniac représentent un candidat idéal pour la synthèse de l'ammoniac.

Dans un nouvel article de recherche publié dans le journal basé à Pékin Revue scientifique nationale , scientifiques de l'Université Soochow de Suzhou, Chine, présentent les dernières avancées pour surmonter le goulot d'étranglement de la synthèse d'ammoniac ambiant. Co-auteurs Sisi Liu, Mengfan Wang, Haoqing Ji, Xiaowei Shen, Chenglin Yan et Tao Qian ont réussi à modifier l'étape déterminante de la vitesse de synthèse de l'ammoniac ambiant en introduisant délibérément des amas uniques de cobalt en tant que promoteur donneur d'électrons dans le carbone dopé à l'azote, et atteint un taux de rendement d'ammoniac exceptionnel de 76,2 μg h-1 mg-1, avec une efficacité faradique supérieure de 52,9%. Avec cette stratégie, la performance supérieure réduirait considérablement la perte d'énergie du système et réduirait le coût fondamental, contribuant ainsi à de futures applications pratiques.

Ces scientifiques décrivent également les orientations potentielles de développement des futurs électrocatalyseurs pour les systèmes NRR durables. "Quand chimiquement adsorbé sur le cluster Co, N2 est activé spontanément et subit un affaiblissement significatif de la triple liaison azote-azote en raison de la forte rétro-donation d'électrons du métal aux orbitales antiliantes N2, et la dissociation de N2 devient un processus exothermique sur l'amas unique de cobalt, " dit le professeur Tao Qian. " Ainsi, l'étape déterminante de la vitesse a été déplacée avec succès de l'activation habituelle de N2 à l'hydrogénation ultérieure avec seulement une petite barrière énergétique de 0,85 eV."