La pollution générée par une économie mondiale en plein essor présente un certain nombre de menaces différentes pour la santé humaine. Des chercheurs de l'Université de technologie de Zhongyuan ont proposé une nouvelle voie possible pour convertir efficacement le nitrate, un polluant répandu dans l'eau, en ammoniac précieux.

L'équipe a décrit une nouvelle voie pour convertir efficacement le nitrate en ammoniac en utilisant du polyoxométalate ajouté comme catalyseur dans des conditions de fonctionnement douces dans son étude récemment publiée dans Polyoxométalates. .

Au cours des dernières décennies, un certain nombre de méthodes ont été déployées pour atténuer l’azote nitrique, qui contribue à la contamination des eaux souterraines. Des études antérieures ont montré que la réduction chimique peut non seulement réduire ou éliminer l'azote nitrique, mais peut en fait faire bon usage de ce polluant nocif en le convertissant en ammoniac, un produit chimique industriel synthétique majeur utilisé dans le monde entier.

Omniprésent dans un large éventail de domaines, l’ammoniac a une densité énergétique extrêmement élevée et est simple à liquéfier et à transporter. Une méthode centenaire appelée procédé Haber-Bosch convertit l'azote atmosphérique en ammoniac par une réaction avec l'hydrogène à l'aide d'un catalyseur métallique en fer sous des températures et des pressions élevées. Cependant, les pressions et les températures nécessaires au processus de « fixation » consomment de grandes quantités d'énergie et produisent d'énormes quantités d'émissions de gaz à effet de serre.

"Nous devrions trouver des méthodes efficaces et respectueuses de l'environnement pour réduire l'azote en ammoniac dans des conditions douces", a déclaré Zhihui Ni, auteur de l'étude de l'Université de technologie de Zhongyuan.

Au cours des dernières années, les scientifiques ont développé un certain nombre de techniques douces de réduction de l’azote comme alternatives au procédé Haber-Bosch, notamment l’électrocatalyse, la photocatalyse et les piles à combustible microbiennes. Parmi celles-ci, la réaction électrochimique de réduction des nitrates constitue une voie de synthèse alternative prometteuse pour la production durable d'ammoniac, car elle élimine non seulement les nitrates de l'eau, mais produit également de l'ammoniac dans des conditions de fonctionnement douces.

Sur cette base, l'équipe de recherche a synthétisé deux polyoxométalates de nickel (POM), une classe d'amas d'oxydes métalliques dotés de propriétés physicochimiques uniques qui les rendent particulièrement efficaces pour utiliser l'énergie électrique pour provoquer une réaction chimique.

Grâce à la stabilité de leurs structures moléculaires et à leurs propriétés redox réversibles, les POM, en tant que catalyseurs, peuvent décomposer les polluants organiques présents dans les eaux usées et réduire le dioxyde de carbone. Les POM peuvent également catalyser des transformations organiques simples, y compris la formation de liaisons.

L’équipe de recherche a caractérisé les structures des composés du nickel et les a synthétisés par voie hydrothermale pour les tester sous hautes pressions. Les tests de réaction électrochimique de réduction des nitrates ont été réalisés à l'aide d'un poste de travail électrochimique.

"Pour évaluer le caractère pratique de la réduction des nitrates dans des conditions de fonctionnement réelles, nous avons effectué des tests électrocatalytiques sur une large gamme de concentrations de nitrates", a déclaré Ni. Ils ont également testé la stabilité des électrocatalyseurs, le taux de rendement en ammoniac et l'efficacité de Faraday, entre autres paramètres.

Les résultats montrent une réduction catalytique électrochimique de l'azote en ammoniac à haute efficacité.

"Cette découverte crée une nouvelle voie pour la fabrication d'électrocatalyseurs électrochimiques très efficaces pour la réaction de réduction des nitrates en utilisant du polyoxométalate ajouté en métal comme catalyseur dans des environnements ambiants", a déclaré Ni. "Les résultats de la recherche offrent des conseils pratiques pour créer des catalyseurs électrocatalytiques efficaces."

Dans les étapes futures, l'équipe de recherche prévoit d'explorer davantage cette méthode de création de catalyseurs électrocatalytiques efficaces.

Plus d'informations : Zhihui Ni et al, Silicotungstates hexanucléaires ajoutés au nickel comme électrocatalyseurs à haut rendement pour la réduction des nitrates en ammoniac, Polyoxométalates (2023). DOI :10.26599/POM.2023.9140044

Fourni par Tsinghua University Press