Les chercheurs de WPI ont développé un matériau pour éliminer l'urée de l'eau et potentiellement la convertir en hydrogène gazeux. En construisant ces matériaux constitués d'atomes de nickel et de cobalt avec des structures électroniques soigneusement adaptées, le groupe a libéré le potentiel permettant à ces oxydes et hydroxydes de métaux de transition d'oxyder sélectivement l'urée dans une réaction électrochimique.
L'étude, dirigée par Xiaowei Teng, professeur James H. Manning de génie chimique au WPI, a été publiée dans le Journal of Physical Chemistry Letters. et mis en évidence dans la couverture supplémentaire de la publication.
L'urée est un engrais agricole azoté peu coûteux et un produit naturel issu du métabolisme humain. Le ruissellement agricole riche en urée et les rejets d'eaux usées municipales provoquent une eutrophisation, une prolifération d'algues nocives et des zones mortes hypoxiques qui ont un impact négatif sur l'environnement aquatique et la santé humaine.
Dans le même temps, les caractéristiques uniques de l’urée en font un moyen potentiel de stockage d’hydrogène qui pourrait offrir une production viable d’hydrogène à la demande. Par exemple, l’urée est non toxique, présente une solubilité élevée dans l’eau et une teneur élevée en hydrogène (6,7 % en poids). Ainsi, l'électrolyse de l'urée pour la production d'hydrogène est plus économe en énergie et plus économique que l'électrolyse de l'eau.
La faiblesse de l'électrolyse de l'urée a toujours été le manque d'électrocatalyseurs peu coûteux et très efficaces qui oxydent sélectivement l'urée au lieu de l'eau, mais Teng et son équipe ont trouvé une solution :fabriquer des électrocatalyseurs constitués d'atomes de nickel et de cobalt en interaction synergique avec des structures électroniques uniques. pour l'électrooxydation sélective de l'urée.
L’étude de l’équipe WPI s’est concentrée sur les oxydes et hydroxydes homogènes de nickel et de cobalt. Les chercheurs ont découvert que la clé pour améliorer son activité électrochimique et sa sélectivité pour l'oxydation de l'urée résidait dans l'adaptation des structures électroniques uniques avec une dominante de Ni 2+ . et Co 3+ espèce.
"Cette configuration électronique est un facteur essentiel pour améliorer la sélectivité de l'oxydation de l'urée car nous observons qu'une valence plus élevée du nickel, comme le Ni 3+ , contribue en effet à produire une réaction rapide avec une forte production de courant électrique ; cependant, une grande partie du courant provenait d'une oxydation indésirable de l'eau", a déclaré Teng.
Pour mieux comprendre cet effet, le groupe de Teng a collaboré avec Aaron Deskins, professeur de génie chimique au WPI. Deskins a effectué les simulations informatiques et a découvert que le mélange homogène d'oxydes et d'hydroxydes de nickel et de cobalt favorisait la redistribution électronique du Ni 2+ . à Co 3+ espèces et en déplaçant les électrons de valence vers une énergie plus élevée afin que les catalyseurs Ni/Co soient mieux préparés à participer à la liaison avec les molécules d'urée et d'eau.
L’urée, engrais azoté et additif alimentaire majeur, a été produite commercialement dès les années 1920 ; environ 180 millions de tonnes ont été produites en 2021. L'urée peut être dérivée de sources naturelles; un humain adulte produit 1,5 L d'urine par jour, ce qui équivaut à 11 kg d'urée et 0,77 kg d'hydrogène gazeux par an.
Les découvertes de l'équipe pourraient aider à utiliser l'urée dans les flux de déchets pour produire efficacement de l'hydrogène via le processus d'électrolyse, et pourraient être utilisées pour séquestrer l'urée de l'eau, maintenir la durabilité à long terme des systèmes écologiques et révolutionner le lien entre l'eau et l'énergie. P>
Plus d'informations : Tongxin Zhou et al, Activité électrocatalytique améliorée de l'oxydation de l'urée par des oxydes mixtes synergiques de cobalt et de nickel, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI :10.1021/acs.jpclett.3c03257
Informations sur le journal : Journal des lettres de chimie physique
Fourni par l'Institut polytechnique de Worcester
