Élimination de la pollution par les nitrates et récupération durable de l'énergie
Les nitrates figurent parmi les polluants de l'eau les plus répandus au monde, constituant une menace sérieuse pour la sécurité de l'eau potable et la santé humaine. La conversion électrochimique des nitrates en ammoniac permet non seulement de réduire la pollution par les nitrates, mais aussi de produire de l'ammoniac, une ressource précieuse. Ce procédé offre une voie durable pour rétablir l'équilibre du cycle global de l'azote et apporte un soutien technique aux enjeux environnementaux et économiques d'une synthèse durable de l'ammoniac. Toutefois, le développement de matériaux d'électrodes à la fois économiques, performants et sélectifs demeure un défi majeur dans ce domaine.
L'équipe de recherche du professeur associé Miao Li, à l'École de l'environnement de l'Université Tsinghua, s'est attaquée au problème de la faible capacité d'adsorption entre les sites actifs du carbone et les molécules de réactifs. Ce phénomène, en altérant la cinétique de réaction, en réduisant l'efficacité et la sélectivité d'élimination, et en limitant les applications pratiques, a permis, grâce à une approche novatrice de régulation de la microstructure des interfaces hétérogènes, de concevoir un catalyseur doté de nouveaux sites actifs par dopage à l'azote. Ce dopage a activé les atomes de carbone adjacents et amélioré le transfert d'électrons du métal vers le carbone, conduisant à une activité catalytique élevée. L'équipe a ainsi développé un électrocatalyseur à hétérostructure carbone-fer dopée à l'azote (Fe@N~10~-C), dérivé d'un réseau métallo-organique (MOF), pour l'élimination électrochimique des nitrates et la production d'énergie à partir d'ammoniac. Les résultats obtenus montrent une efficacité d'élimination des nitrates de 125,8 ± 0,5 mg N g~cat~^−1^ h^−1^ et une sélectivité en ammoniac proche de 100 % (99,7 ± 0,1 %), la plus élevée rapportée à ce jour.
L'étude a utilisé le rayonnement synchrotron pour analyser les états de valence et les environnements de coordination des sites Fe, N et C dans le catalyseur Fe@Nx-C, confirmant ainsi la formation d'une structure de carbone dopée à l'azote lors de la pyrolyse. Après pyrolyse, l'espèce azotée majoritaire dans le catalyseur Fe@Nx-C était l'azote graphitique. Les principaux sites actifs dans Fe@Nx-C étaient les sites actifs C adjacents aux sites N (C-N). L'activité accrue du catalyseur Fe@N10-C a été attribuée à la quantité appropriée de dopants azotés dans les couches de carbone entourant les nanoparticules (NP) de Fe.
Afin d'étudier plus en détail le rôle de l'azote dans l'activation des atomes de carbone et l'amélioration de l'activité de réduction électrochimique des nitrates de Fe@N~10~-C, des calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ont été effectués. Les diagrammes de charges différentielles ont révélé les sites actifs de trois modèles représentatifs — Fe@N, Fe@N~10~-C et Fe@N~20~-C — confirmant ainsi que le transfert de charge se produit au niveau des sites C~N~ et que le dopage à l'azote induit une distorsion des atomes de carbone adjacents. Les chercheurs ont ensuite examiné l'effet du dopage à l'azote sur la structure électronique. Une plus grande accumulation de charges a été observée au niveau des sites C~N~, indiquant que le dopage à l'azote augmente la densité de charge, favorisant ainsi l'adsorption de NO~3~^−^. L'analyse de charge de Bader a également démontré un transfert de charge plus important au niveau des sites C~N~, confirmant ainsi leur rôle de sites actifs. Pour mieux comprendre l'activation des atomes de carbone et l'origine de l'activité du catalyseur Fe@N~10~-C, l'équipe a étudié l'interaction entre le fer et le carbone dopé à l'azote. Les diagrammes de charge différentielle ont montré que le dopage à l'azote influençait le transfert d'électrons des nanoparticules de Fe vers le carbone dopé à l'azote, activant les atomes de C, ce qui à son tour améliorait l'adsorption des molécules réactives et la cinétique de réaction.