Transformer les polluants en produits utiles
Notre dépendance aux combustibles fossiles comme source d’énergie primaire a poussé la pollution atmosphérique à un niveau record, ce qui entraîne plusieurs problèmes environnementaux et sanitaires. Parmi les principaux polluants, l’accumulation d’oxyde d’azote (NOx) peut provoquer de graves maladies respiratoires et un déséquilibre dans le cycle de l’azote terrestre. La réduction de l’accumulation de NOx est donc une question de la plus haute importance.
Récemment, la conversion des NOx en produits azotés inoffensifs ou même utiles est apparue comme une stratégie prometteuse. La réduction des NOx en hydroxylamine (NH2OH), qui peut être utilisée comme source d’énergie renouvelable, est particulièrement intéressante pour les scientifiques.
L’étape «make-or-break» qui détermine la formation d’hydroxylamine est la réduction électrochimique catalytique de l’oxyde nitrique (NO), qui peut produire de l’hydroxylamine ou de l’oxyde nitreux (N2O), en fonction du pH de l’électrolyte et du potentiel de l’électrode. Des études montrent que pour que la formation d’hydroxylamine domine la formation de N2O, des électrolytes très acides avec un pH inférieur à 0 sont nécessaires. Cependant, un environnement aussi durement acide dégrade rapidement le catalyseur, limitant la réaction. «Le développement d’un nouveau catalyseur à haute activité, sélectivité et stabilité est le prochain défi», déclare le professeur Chang Hyuck Choi du Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) en Corée où il travaille sur la catalyse des réactions électrochimiques.
Dans une étude récente publiée dans Nature Communications, le professeur Choi et ses collègues de Corée et de France ont étudié la réduction du NO en présence d’un nouveau catalyseur de carbone dopé fer-azote (Fe-NC) composé de fragments FeNxCy isolés liés à un substrat carboné. . Le catalyseur a été choisi pour sa haute sélectivité pour la voie NH2OH ainsi que pour sa résistance aux conditions extrêmement acides.
L’équipe a réalisé une spectroscopie opérando (c’est-à-dire pendant la réaction) et une analyse électrochimique du catalyseur pour déterminer son site catalytique et la dépendance au pH de la production de NH2OH.
Ils ont identifié le site actif du catalyseur comme les fragments ferreux liés au substrat de carbone où la vitesse de formation de NH2OH a montré une augmentation particulière avec la diminution du pH. L’équipe a attribué cette particularité à un état d’oxydation incertain du NO. Enfin, ils ont réalisé une production efficace (71%) de NH2OH dans une pile à combustible prototypique NO-H2, établissant l’utilité pratique du catalyseur. De plus, ils ont constaté que le catalyseur présentait une stabilité à long terme, ne montrant aucun signe de désactivation même après avoir fonctionné pendant plus de 50 heures!
L’approche réduit non seulement les polluants atmosphériques nocifs, mais fournit également un sous-produit utile qui peut trouver une utilité pour inaugurer une société d’énergie renouvelable. «Outre les applications de l’hydroxylamine dans l’industrie du nylon, elle peut également être utilisée comme vecteur d’hydrogène alternatif. Ainsi, le nouveau catalyseur aidera non seulement à réduire la quantité de polluants NOx dans notre atmosphère, mais nous conduira également à un avenir d’énergie renouvelable. », Explique le professeur Choi.
Nous pouvons respirer tranquillement en sachant que les conclusions de l’équipe nous rapprochent de quelques pas d’une société d’énergie renouvelable sans pollution.
Référence: Kim DH, Ringe S, Kim H et coll. Réduction électrochimique sélective de l’oxyde nitrique en hydroxylamine par catalyseur de fer dispersé atomiquement. Nat Commun. 2021; 12 (1): 1856. doi: 10.1038 / s41467-021-22147-7
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