Les technologies évolutives de production électrochimique d’ozone (EOP) pour désinfecter l’eau sale pourraient un jour remplacer les traitements centralisés au chlore utilisés aujourd’hui, que ce soit dans les villes modernes ou les villages isolés. Cependant, on comprend peu de choses sur l'EOP au niveau moléculaire et sur la manière dont les technologies qui la rendent possible peuvent être efficaces, économiques et durables.

Leur recherche, "Interplay between Catalyst Corrosion and Homogeneous Reactive Oxygen Species in Electrochemical Ozone Production", a été publiée récemment dans la revue ACS Catalysis. .

L’auteur principal est Drexel Ph.D. l'étudiant Rayan Alaufey, avec des chercheurs contributeurs de Drexel, dont la co-PI Maureen Tang, professeure agrégée de génie chimique et biologique, le chercheur postdoctoral Andrew Lindsay, Ph.D. l'étudiante Tana Siboonruang et Ezra Wood, professeur agrégé de chimie; co-PI John A. Keith, professeur agrégé de génie chimique et pétrolier, et étudiant diplômé Lingyan Zhao de Pitt ; et Qin Wu de Brookhaven.

"Les gens utilisent le chlore pour traiter l'eau potable depuis le 19ème siècle, mais aujourd'hui nous comprenons mieux que le chlore n'est pas toujours la meilleure option. L'EOP par exemple peut générer de l'ozone, une molécule ayant à peu près le même pouvoir désinfectant que le chlore, directement dans l'eau. .

"Contrairement au chlore qui persiste de manière stable dans l'eau, l'ozone présent dans l'eau se décompose naturellement après environ 20 minutes, ce qui signifie qu'il est moins susceptible de nuire aux personnes lorsqu'elles consomment de l'eau du robinet, lorsqu'elles nagent dans une piscine ou lorsqu'elles nettoient des plaies dans un hôpital." a expliqué Keith, qui est également R.K. Professeur Mellon en énergie à la Pitt's Swanson School of Engineering.

"L'EOP pour une désinfection durable aurait beaucoup de sens sur certains marchés, mais pour y parvenir, il faut un catalyseur suffisamment bon, et comme personne n'a encore trouvé de catalyseur EOP assez bon, l'EOP est trop cher et trop gourmand en énergie pour une utilisation plus large.

"Mes collègues et moi avons pensé que si nous pouvions décoder au niveau atomique ce qui fait fonctionner un catalyseur EOP médiocre, nous pourrions peut-être concevoir un catalyseur EOP encore meilleur."

Résoudre le mystère du fonctionnement des catalyseurs EOP est crucial pour comprendre comment mieux concevoir l'un des catalyseurs EOP les plus prometteurs et les moins toxiques connus à ce jour :l'oxyde d'étain dopé au nickel et à l'antimoine (Ni/Sb–SnO_{2 , ou OTAN).}

C'est là, dit Keith, que réside l'énigme :que fait le rôle de chaque atome au sein de l'OTAN pour aider l'EOP ? L'ozone se forme-t-il de manière catalytique comme nous le souhaitons, ou se forme-t-il parce que le catalyseur se décompose, et des travaux futurs doivent être effectués pour rendre les catalyseurs de l'OTAN plus stables ?

Étonnamment, les chercheurs ont découvert qu'il s'agissait probablement d'un mélange des deux.

En utilisant des analyses électrochimiques expérimentales, la spectrométrie de masse et la modélisation informatique de la chimie quantique, les chercheurs ont créé un « scénario à l'échelle atomique » pour expliquer comment l'ozone est généré sur les électrocatalyseurs de l'OTAN.

Pour la première fois, ils ont identifié qu'une partie du nickel présent dans l'OTAN s'échappait probablement des électrodes par corrosion, et que ces atomes de nickel, flottant désormais dans la solution près du catalyseur, peuvent favoriser des réactions chimiques qui finissent par générer de l'ozone.

"Si nous voulons fabriquer un meilleur électrocatalyseur, nous devons comprendre quelles pièces fonctionnent et quelles pièces ne fonctionnent pas. Des facteurs tels que la lixiviation des ions métalliques, la corrosion et les réactions en phase solution peuvent donner l'impression qu'un catalyseur fonctionne dans un sens alors qu'en réalité il fonctionne. d'une autre manière."

Keith a noté que l'identification de la prévalence de la corrosion et des réactions chimiques se produisant en dehors du catalyseur est une étape importante à clarifier avant que d'autres chercheurs puissent poursuivre les améliorations de l'EOP et d'autres processus électrocatalytiques.

Dans leur conclusion, ils notent :"Identifier ou réfuter l'existence de telles contraintes technologiques fondamentales sera essentiel pour toute application future de l'EOP et d'autres processus d'oxydation électrochimique avancés."

"Nous savons que le traitement électrochimique de l'eau fonctionne à petite échelle, mais la découverte de meilleurs catalyseurs le propulsera à l'échelle mondiale. La prochaine étape consiste à trouver de nouvelles combinaisons atomiques dans des matériaux plus résistants à la corrosion, mais qui favorisent également une EOP économiquement et durablement viable. ", a déclaré Keith.