Ammoniac (NH 3 ) est un incolore, composé gazeux et hydrosoluble utilisé dans plusieurs secteurs, y compris l'agriculture, le secteur de l'énergie, et une variété d'industries. Pour plus d'un siècle, la principale façon de produire de grandes quantités d'ammoniac a été via le procédé Haber-Bosch, ce qui implique l'utilisation de haute pression pour produire une réaction chimique qui permet la synthèse directe d'ammoniac à partir d'hydrogène et d'azote.

Alors que le procédé Haber-Bosch permet la production en masse d'ammoniac, il est connu pour être nocif pour l'homme et l'environnement, car elle entraîne la consommation d'énergies fossiles et aggrave ainsi l'effet de serre. En raison de ces effets indésirables, les chercheurs ont cherché des méthodes alternatives pour produire de l'ammoniac via N 2 -H 2 O réactions chimiques en conditions ambiantes, dont certains utilisent des sources d'énergie renouvelables.

Certaines de ces nouvelles techniques de production d'ammoniac se sont révélées efficaces et relativement peu coûteuses. Néanmoins, ils ne permettaient généralement aux chercheurs que de produire des quantités limitées d'ammoniac et présentaient une mauvaise sélectivité, en raison de la liaison inerte N≡N et de la solubilité ultra-faible de N 2 dans l'eau.

Des chercheurs de l'Université de technologie de Chine du Sud et du Laboratoire national d'Argonne ont récemment mis au point une nouvelle stratégie électrochimique pour produire de l'ammoniac grâce à la réduction des nitrates. Leur méthode, présenté dans un article publié dans Énergie naturelle , est basé sur l'utilisation d'un catalyseur solide moléculaire de cuivre.

"Obtenir NH 3 directement de non−N 2 sources est considérée comme une stratégie révolutionnaire pour répondre aux préoccupations associées aux précédents procédés de production d'ammoniac, " Haihui Wang, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Dans la recherche d'alternatives contenant de l'azote autres que N 2 synthétiser NH 3 , l'anion nitrate (NO 3 ^- ) se distingue par le fait que l'énergie de dissociation inférieure de la liaison N=O (204 kJ mol ^-1 ) par rapport à la triple liaison N-N (941 kJ mol ^-1 ), et l'enrichissement en NO 3 ^- dans les ressources en eau a causé la pollution de l'environnement et menace la santé humaine."

Conversion sélective NON 3 ^- à NH 3 dans des conditions ambiantes et dans un H 2 Le système à base d'O pourrait être une alternative plus verte pour la production de masse de NH 3 . Cette conversion alternative permettrait d'atténuer les problèmes environnementaux liés aux procédés actuels de production d'ammoniac à grande échelle, tout en diminuant la consommation d'énergie.

"Conversion NON 3 ⁻ dans NH 3 est loin d'être une tâche facile, car il nécessite une réaction de transfert de huit électrons ainsi qu'un potentiel de réaction légèrement inférieur (c'est-à-dire, 1,20 V versus l'électrode à hydrogène réversible ou RHE) que celle de la conversion à cinq électrons du NO 3 ⁻ tonne 2 (1,25 V contre RHE), " Wang a expliqué. " Divers systèmes électrocatalytiques avec différents catalyseurs hétérogènes (tels que Cu, Ag, Au, et ainsi de suite) ont été proposées dans le passé, mais la plupart d'entre eux ont tendance à produire N 2 via une réduction à cinq électrons du NO 3 ^- plutôt que la réduction souhaitée à huit électrons."

Le potentiel pratique de la conversion du NO 3 ^- à NH 3 est inférieur à ce que l'on appelle le potentiel de réaction de dégagement d'hydrogène (HER), ce qui conduit à la génération de H 2 . Cela peut réduire l'efficacité globale de la production de NH 3 .

Dans leur étude, Wang et ses collègues ont pu réaliser la réduction directe de huit électrons du NO 3 ^- à NH 3, catalysé par du cuivre cristallin 3 incorporé, 4, 9, 10-pérylènetétracarboxylique dianhydride (PTCDA) avec une barrière à faible énergie. Le catalyseur qu'ils ont utilisé présentait un rendement élevé et une sélectivité exceptionnelle, en supprimant efficacement HER.

"Nous avons criblé des catalyseurs avec la préparation d'une série de métaux incorporés dans PTCDA, comme Cu, Ag, Au, Ru, Rh, Je, Pd, pt, Bi, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Non, Oui, Zr, Mo, La et Ce, " a expliqué Wang. " Nous avons constaté que la haute performance de notre catalyseur peut être attribuée à la configuration électronique unique de Cu 3 ré orbitale montrant un chevauchement accru avec le nitrate O 2 p orbitales pour améliorer le transfert de charge, ainsi que la structure de PTCDA, qui aide à réguler le transfert de protons et d'électrons vers les centres Cu actifs, puis à inhiber HER et à favoriser la liaison H-N."

La méthode électrochimique introduite par Wang et ses collègues pourrait relever les défis actuellement associés au NH de masse 3 production. Lors des premiers tests, cette méthode a atteint des rendements faradiques entre 60% et 86% et NH 3 taux de production compris entre 400 et 900 μg h environ ^-1 cm ^–2 à des potentiels appliqués de -0,4 à -0,6 V par rapport à RHE.

Les résultats sont nettement meilleurs que ceux obtenus en utilisant d'autres méthodes de réduction électrochimique de N 2 à NH 3 . Par exemple, méthodes à médiation par le lithium, qui sont les plus connus pour atteindre des taux de rendement relativement élevés dans l'électroréduction de N 2 -à-NH 3 , atteint un taux de production inférieur à 36 μg h ^-1 cm.

The recent study by Wang and his colleagues also opens up new possibilities for the recycling of nitrogen (NO 3 ^- ) in wastewater. Pour plusieurs années, NON 3 ^- was considered to be a toxic water contaminant and was usually transferred into gaseous nitrogen and returned to the air. Recent studies, cependant, suggest that the high amount of nitrogen in wastewater could in fact be recycled for fertilization.

"The total nitrogen discharged into the water per year is 14.5 ± 3.1 million tons in China, which is about 50% of the annual consumption of synthetic nitrogen (300.5 million tons in 2016), " Wang said. "In 2016, the United States planted 94 million acres of corn, using about 8.9 billion kilograms of nitrogen annually, which accounts for 40% of the annual nitrogen use in the United States. Cependant, it is worth noting that 2.4 billion kilograms of nitrogen is available in wastewater each year. The statistics prove that nitrogen in wastewaters could be a valuable resource."

In addition to allowing the large-scale production of ammonia in ways that are more environmentally friendly, the recent work by Wang and his colleagues could pave the way toward the development of wastewater management systems with nitrogen conversion capabilities. These systems would enable the recycling of large quantities of nitrogen, ultimately optimizing the use of global resources and protecting the environment.

While the results are promising, the researchers still need to overcome two technical challenges before their method can be applied in real-world settings. These challenges will be the main focus of their next set of studies.

"D'un côté, our future studies will be aimed at enhancing the catalyst's structure to further improve its long-term stability, " Wang said. "In this work, the NH 3 yield rate decreased from 337.8 μg h ^-1 cm ^-2 to 140.3 μg h ^-1 cm ^-2 after 15 hours, after which it was substantially stable and maintained an NH 3 yield rate of 130.8 μg h ^-1 cm ^-2 after 40 hours. D'autre part, we will work on the large-scale application of NH 3 electrosynthesis, developing an electric-driving flow device for the direct and continuous mass production of high-purity liquid ammonia or ammonium salt. We plan to devise a simple method for the direct purification and collection of the products, which removes the need for additional purification, transportation and other procedures."

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