Le peroxyde d’hydrogène (H2O2) est un produit chimique important sur le plan industriel avec des applications polyvalentes. Cependant, la méthode traditionnelle utilisée pour produire du H2O2 est énergivore et produit des émissions importantes.
Afin de parvenir à un développement durable, les scientifiques ont cherché à synthétiser électrochimiquement le H2O2. Cela peut être fait via les réactions de réduction de l’oxygène catalysées par un seul catalyseur cobalt-azote-carbone (Co-NC). Mais adapter la structure atomique précise du catalyseur a été une lutte.
Aujourd’hui, un groupe international de chercheurs a théoriquement conçu un catalyseur Co-NC avec des structures uniques pour la synthèse électrochimique de H2O2 à haute performance. Le groupe a vérifié avec succès leur prédiction après avoir mis en œuvre expérimentalement la synthèse, analysé ses caractérisations et effectué des tests catalytiques.
Les détails de leurs découvertes ont été publiés dans la revue Sciences de l’énergie et de l’environnement.
« À ce jour, la recherche d’un catalyseur a été effectuée sur la base d’expériences exhaustives par essais et erreurs », déclare Hao Li, professeur associé à l’Institut avancé de recherche sur les matériaux de l’Université de Tohoku (WPI-AIMR) et auteur correspondant de l’article. « Notre découverte a montré que la recherche guidée par la théorie peut fournir des directives de conception précises pour les expériences catalytiques, ce qui permet d’économiser du temps, de l’argent et des ressources humaines. »
Le groupe comprenait des chercheurs du Japon, d’Australie, du Canada et de Chine. En particulier, Li et son collègue et auteur correspondant, Li Wei, ont reçu le soutien de l’Université de Sydney dans le cadre du programme international de collaboration SDG, un programme qui promeut la collaboration internationale sur la recherche liée aux ODD entre l’Université de Sydney et d’autres universités.
Pour résoudre la pierre d’achoppement du H2O2, les chercheurs ont construit un catalyseur moléculaire hétérogène à partir de porphyrines de cobalt absorbées sur un substrat de nanotubes de carbone. Leurs calculs initiaux suggéraient que les substituants β de la porphyrine et le substrat carboné pourraient moduler de manière synergique les propriétés du Co et l’activité catalytique.
Ils ont en outre prédit l’optimalité d’un catalyseur octafluoro-substitué et validé leurs prédictions par des expériences, avec une sélectivité > 94 % H2O2 et une fréquence de rotation élevée de 3,51 par seconde à une surtension de 200 millivolts dans un électrolyte acide. De plus, il a atteint une productivité maximale de H2O2 de 10,76 molH2O2 gcat-1h-1 dans un électrolyseur à deux électrodes, fournissant des solutions de H2O2 pur qui peuvent être utilisées directement pour le traitement de l’eau et la production chimique.
Pour l’avenir, Li espère concevoir d’autres catalyseurs Co-NC. « En ajustant le type de centre métallique et leurs environnements de coordination, et grâce à des tests de performance et de stabilité approfondis, nous espérons découvrir plus de métal-NC à utiliser dans diverses électrocatalyses. »
Plus d’information:
Chang Liu et al, Catalyseurs Co–N–C moléculaires hétérogènes pour une synthèse électrochimique efficace de H2O2, Sciences de l’énergie et de l’environnement (2022). DOI : 10.1039/D2EE02734H