De nouveaux matériaux ouvrent la possibilité de convertir les polluants de l'eau en gaz d'hydrogène.

18 janvier 2024

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par le Worcester Polytechnic Institute

Des chercheurs du WPI ont développé un matériau pour éliminer l'urée de l'eau et éventuellement la convertir en gaz d'hydrogène. En construisant ces matériaux composés d'atomes de nickel et de cobalt avec des structures électroniques soigneusement adaptées, le groupe a débloqué 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 de génie chimique à WPI, a été publiée dans le Journal of Physical Chemistry Letters et mise en évidence en couverture supplémentaire dans la publication.

L'urée est un engrais azoté peu coûteux utilisé en agriculture et un produit naturel du métabolisme humain. Les rejets agricoles riches en urée et les rejets d'eaux usées municipales entraînent l'eutrophisation - des proliférations d'algues nuisibles et des zones mortes hypoxiques qui ont un impact négatif sur l'environnement aquatique et la santé humaine.

En même temps, les caractéristiques uniques de l'urée en font un potentiel support de stockage d'hydrogène pouvant offrir une production d'hydrogène à la demande viable. Par exemple, l'urée est non toxique, très soluble dans l'eau et a une teneur en hydrogène élevée (6,7 % en poids). Ainsi, l'électrolyse de l'urée pour la production d'hydrogène est plus écoénergétique et économique que l'électrolyse de l'eau.

La faiblesse de l'électrolyse de l'urée a toujours été le manque de catalyseurs électrochimiques peu coûteux et hautement efficaces qui oxydent sélectivement l'urée plutôt que l'eau, mais Teng et son équipe ont trouvé une solution : fabriquer des catalyseurs électrochimiques composés d'atomes de nickel et de cobalt interagissant de manière synergique avec des structures électroniques uniques pour l'électro-oxydation sélective de l'urée.

L'étude de l'équipe du WPI s'est concentrée sur les oxydes et hydroxydes homogènes de nickel et de cobalt. Les chercheurs ont constaté que la clé pour améliorer l'activité électrochimique et la sélectivité envers l'oxydation de l'urée résidait dans l'adaptation des structures électroniques uniques avec des espèces Ni2+ et Co3+ dominantes.

'Cette configuration électronique est un élément crucial pour améliorer la sélectivité de l'oxydation de l'urée car nous observons que l'augmentation de la valence du nickel, telle que Ni3+, aide en effet à produire une réaction rapide avec une forte intensité de courant ; cependant, une grande partie du courant provenait de l'oxydation de l'eau non désirée', a déclaré Teng.

Pour mieux comprendre cet effet, le groupe de Teng a collaboré avec Aaron Deskins, professeur de génie chimique à WPI. Deskins a réalisé des simulations computationnelles et a découvert que le mélange homogène des oxydes et hydroxydes de nickel et de cobalt bénéficiait de la redistribution électronique des espèces Ni2+ vers Co3+ et du déplacement des électrons de valence vers une énergie plus élevée, de sorte que les catalyseurs Ni/Co étaient mieux préparés à participer à la liaison avec les molécules d'urée et d'eau.

L'urée, un engrais azoté majeur et un additif alimentaire, a été produite commercialement dès les années 1920 ; environ 180 millions de tonnes métriques ont été produites en 2021. L'urée peut être obtenue à partir de sources naturelles ; un être humain adulte produit quotidiennement 1,5 litre d'urine, soit l'équivalent de 11 kg d'urée et de 0,77 kg de gaz d'hydrogène par an.

Les découvertes de l'équipe pourraient permettre d'utiliser l'urée présente dans les eaux usées pour produire efficacement du carburant à l'hydrogène grâce au processus d'électrolyse, et pourraient être utilisées pour séquestrer l'urée de l'eau, assurant ainsi la durabilité à long terme des systèmes écologiques et révolutionnant le lien entre l'eau et l'énergie.

Informations sur le journal : Journal of Physical Chemistry Letters

Fourni par Worcester Polytechnic Institute