Ammoniac (NH3 ) est considéré comme un vecteur d'énergie sans carbone prometteur, mais son processus de production à forte intensité énergétique reste un défi pour les scientifiques du monde entier. Une équipe de recherche dirigée par l'Université de la ville de Hong Kong (CityU) a récemment conçu un alliage bimétallique comme nanocatalyseur ultrafin capable d'offrir des performances électrochimiques considérablement améliorées pour générer de l'ammoniac à partir de nitrate (NO3 - ), offrant un grand potentiel pour obtenir un carburant neutre en carbone à l'avenir.
Les résultats ont été publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences. (PNAS ) sous le titre "Ingénierie de l'environnement de coordination atomique de nanostructures d'alliages bimétalliques pour une électrosynthèse efficace de l'ammoniac à partir du nitrate."
L'ammoniac, couramment utilisé dans les engrais, a récemment attiré beaucoup d'attention car il peut fournir une source d'hydrogène pour les piles à combustible et il est plus facile à liquéfier et à transporter que l'hydrogène. En raison de sa forte demande, la valorisation du nitrate (NO3 - ) à partir des eaux usées polluées par les engrais ammoniaqués est apparue comme une alternative pour reproduire l'ammoniac précieux et rendre l'agriculture plus durable.
Actuellement, la réaction électrochimique de réduction des nitrates (NO3 RR) est considérée comme une solution prometteuse pour la synthèse de l’ammoniac. Il comprend principalement des étapes de désoxygénation et d'hydrogénation (c'est-à-dire NO3 - + 9H + + 8e - ➙NH3 + 3H2 O) avec des électrocatalyseurs à base de métal.
"Cependant, les sous-produits indésirables et la réaction concurrente de dégagement d'hydrogène (HER) au cours du NO3RR entravent apparemment le taux de production d'ammoniac", a déclaré le professeur Fan Zhanxi, du département de chimie de CityU, qui a dirigé l'étude.
Au lieu de moduler la taille ou la dimension des électrocatalyseurs, comme l'ont fait d'autres recherches antérieures, l'équipe du professeur Fan s'est concentrée sur l'amélioration des sites actifs, où les molécules du substrat se lient et où la catalyse a lieu à la surface des électrocatalyseurs.
"Le ruthénium (Ru) est un matériau émergent en tant qu'électrocatalyseur pour le NO3 RR, mais il a également le problème de favoriser le HER, ce qui conduit à ce que ses sites actifs soient fortement occupés par de l'hydrogène actif indésirable, laissant une zone insuffisante pour la réduction des nitrates en ammoniac", a expliqué le professeur Fan.
Pour surmonter ces défis, l’équipe a introduit un autre métal, le fer (Fe), pour moduler l’environnement de coordination atomique des sites actifs. En modifiant l'environnement de coordination des sites de Ru, les structures électroniques et les propriétés de surface du Ru et donc leur activité catalytique pour la production d'ammoniac sont optimisées. Pour améliorer encore les performances de l'électrocatalyseur, l'équipe a développé une approche de synthèse en un seul pot pour fabriquer des nanofeuilles ultrafines assemblées sous forme d'une structure en forme de fleur, appelées nanofleurs RuFe.
Ce nouvel électrocatalyseur en alliage bimétallique possède une structure électronique très stable en raison des orbitales complémentaires qui atteignent un transfert d'électrons efficace et des états de valence robustes, ce qui supprime également le HER compétitif et abaisse les barrières énergétiques pour le NO3 FR. De plus, les sites de surface électrochimiquement actifs des nanofleurs RuFe mesuraient 267,5 cm 2 , bien plus grand que le 105 cm 2 pour les Ru-nanosheets pour que les réactions aient lieu.
Remarquablement, les nanofleurs RuFe ont démontré de bien meilleures performances électrochimiques, avec une efficacité de transfert de charge exceptionnelle, connue sous le nom d'efficacité faradique (FE), de 92,9 % et un taux de rendement de 38,68 mg h −1 mgcat −1 à −0,30 et −0,65 V pour la production d'ammoniac, soit près de 6,9 fois celle des seules feuilles de Ru-nano.
"Cette recherche indique un grand potentiel pour les nanofleurs RuFe dans les systèmes énergétiques électrochimiques de nouvelle génération", a déclaré le professeur Fan. "Nous pensons que ces travaux peuvent stimuler des études de suivi sur la modulation de l'environnement de coordination atomique des sites actifs dans les catalyseurs à base de métaux pour la production d'ammoniac, favorisant ainsi un cycle durable de l'azote pour obtenir une énergie sans carbone à l'avenir."
Plus d'informations : Yunhao Wang et al, Ingénierie de l'environnement de coordination atomique des nanostructures d'alliages bimétalliques pour une électrosynthèse efficace de l'ammoniac à partir du nitrate, Actes de l'Académie nationale des sciences (2023). DOI :10.1073/pnas.2306461120
Informations sur le journal : Actes de l'Académie nationale des sciences
Fourni par l'Université de la ville de Hong Kong
