Des scientifiques des instituts Hefei des sciences physiques de l'Académie chinoise des sciences ont synthétisé un catalyseur à atome unique et à groupe d'atomes de Fe coordonné avec l'oxygène qui présente des performances électrocatalytiques supérieures pour le peroxyde d'hydrogène (H2 O2 ) production et valorisation de la biomasse. La recherche est publiée dans Angewandte Chemie International Edition .
H2 O2 est un produit chimique largement utilisé avec des applications dans divers domaines tels que l'environnement, l'énergie et les soins de santé. Bien qu'elle soit traditionnellement produite par des processus énergivores, la synthèse électrocatalytique offre une méthode plus respectueuse de l'environnement et plus efficace utilisant de l'eau et de l'oxygène.
Cependant, cette approche nécessite des électrocatalyseurs avancés pour un H2 sélectif et à haut rendement. O2 production, et une attention particulière est nécessaire pour utiliser le H2 généré O2 , en particulier dans les procédés d'oxydation organique électrochimique. Cela offre un potentiel important pour des applications à valeur ajoutée au-delà de l'assainissement de l'environnement.
Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé la cellulose bactérienne comme régulateur d'adsorption et source de carbone en combinaison avec une approche en plusieurs étapes impliquant des processus d'imprégnation chimique humide, de pyrolyse et de gravure à l'acide pour créer un catalyseur appelé FeSAs/ACs-carbone dérivé de la cellulose bactérienne ( BCC), constitué d'atomes simples de Fe (SA) et d'amas d'atomes (AC) coordonnés en oxygène.
La présence de Fe SA et d'amas a été confirmée à l'aide de techniques d'imagerie avancées telles que la microscopie électronique à transmission à balayage corrigée des aberrations. La structure atomique du Fe a également été déterminée par spectroscopie d'absorption de structure fine des rayons X et spectroscopie photoélectronique des rayons X.
Ce catalyseur a montré d'excellentes performances électrocatalytiques et une excellente sélectivité pour la réaction de réduction de l'oxygène à 2 électrons (2e – ORR) dans des conditions alcalines. D'autres expériences sur les cellules H ont confirmé l'accumulation de H2 O2 dans l'électrolyte.
Les chercheurs ont couplé le H2 généré in situ O2 avec le procédé électro-Fenton utilisant de l'éthylène glycol comme réactif et du Na2 0,1 M acidifié SO4 comme électrolyte. Cela a abouti à un taux élevé de conversion de l'éthylène glycol et à une sélectivité élevée pour l'acide formique, démontrant que le procédé électro-Fenton a le potentiel d'améliorer les matières premières dérivées de la biomasse grâce à une valorisation oxydative.
Ils ont également développé une cellule à circulation triphasée basée sur l'électrode à diffusion gazeuse pour améliorer encore le H2 O2 rendement.
Les analyses de la théorie fonctionnelle de la densité ont indiqué que les sites catalytiquement actifs réels dans le 2e – Le processus ORR était constitué des amas de Fe, et l'interaction électronique entre les atomes uniques de Fe et les amas de Fe pourrait améliorer considérablement les performances électrocatalytiques vers 2e – ORR.
Ce travail sera utile pour la conception et le développement d'électrocatalyseurs au niveau atomique pour le 2e à haut rendement – ORR en H2 O2 et valorisation de la biomasse.
Plus d'informations : Hui Xu et al, Structure électronique de régulation du fer atomiquement dispersé des amas d'atomes de fer pour la production électrocatalytique de H2O2 et la valorisation de la biomasse, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202314414
Informations sur le journal : Angewandte Chemie International Edition
Fourni par l'Académie chinoise des sciences
