Des connaissances sur les oxydes de cobalt spinelles pourraient conduire à une synthèse efficace de l’ammoniac

Les chercheurs ont réalisé une avancée significative dans le développement de catalyseurs pour la réaction de réduction électrochimique des nitrates (eNO₃RR) en ammoniac, un processus qui a de vastes implications pour l’énergie durable, l’agriculture et les applications industrielles. L’étude est publiée dans la revue ACS Nano.

L’ammoniac, un composant essentiel de la production alimentaire mondiale, est également prometteur en tant que carburant zéro carbone en raison de sa densité énergétique élevée, de ses produits de combustion propres et de son infrastructure établie pour le stockage et le transport. Cependant, la méthode actuelle de production d’ammoniac, le procédé Haber-Bosch, est énergivore et représente environ 1,8 % du CO mondial.₂ émissions.

Dans leur étude récente, l’équipe de recherche s’est concentrée sur les oxydes de cobalt spinelles (Co₃O₄), une classe prometteuse de catalyseurs pour l’eNO₃RR en raison de leur faible coût, de leur activité élevée et de leur sélectivité.

L’équipe a synthétisé divers Co₃O₄ nanostructures avec différentes facettes cristallographiques ({100}, {111}, {110} et {112}) pour étudier comment ces facettes influencent les performances du catalyseur dans la production d’ammoniac. L’étude a révélé que la facette {111} du Co₃O₄ a montré des performances supérieures, atteignant une efficacité faradique d’ammoniac impressionnante de 99,1 % et un taux de rendement de 35,2 mg h^-1 cm^-2.

« Nos résultats montrent que la facette {111} de Co₃O₄ « est efficace pour transformer le nitrate en ammoniac », a déclaré le Dr Heng Liu, co-premier auteur de l’article et professeur adjoint spécialement nommé à l’Institut avancé de recherche sur les matériaux (WPI-AIMR) de l’Université de Tohoku.

« Cela est dû à la formation rapide de lacunes d’oxygène et de Co(OH)₂ sur cette facette, ce qui améliore considérablement les performances du catalyseur. »

De plus, les chercheurs ont découvert que le catalyseur subissait un processus de transformation au cours de la réaction, évoluant du Co₃O₄ à une structure avec des lacunes d’oxygène, puis à un Co₃O_4-x-Ov/Co(OH)₂ hybride, et finalement stabilisant en Co(OH)₂Ce processus était plus prononcé sur la facette {111}, contribuant à ses performances supérieures.

« Les changements structurels que nous avons observés sont essentiels pour comprendre l’activité du catalyseur », a ajouté le professeur Hao Li, auteur correspondant de l’étude et professeur associé au WPI-AIMR. « Ces informations nous aideront à concevoir des catalyseurs plus efficaces en optimisant les facettes exposées. »

L’importance de l’ammoniac s’étend au-delà de l’agriculture, car il s’agit d’un carburant potentiel à zéro carbone et d’un acteur clé dans les technologies de conversion et de stockage d’énergie.₃RR propose une alternative durable au procédé Haber-Bosch, transformant les déchets de nitrate en ammoniac précieux tout en contribuant à l’assainissement de l’environnement.

« Cette recherche jette des bases solides pour le développement de catalyseurs plus efficaces et plus durables », déclare Li. « À mesure que nous progressons, notre objectif est de contrôler les phases finales de la transformation du catalyseur pour améliorer encore son activité, sa sélectivité et sa stabilité. »

Cette avancée dans la compréhension et l’optimisation de Co₃O₄ Les catalyseurs pourraient ouvrir la voie à des processus industriels plus propres et plus durables, contribuant ainsi aux efforts mondiaux visant à atteindre la neutralité carbone d’ici les années 2050.