En tant que l’un des 100 produits chimiques les plus importants au monde, le peroxyde d’hydrogène (H2O2) est principalement produit par la méthode d’oxydation de l’anthraquinone (AO) qui consomme beaucoup d’énergie et de déchets. Le remplacement de la méthode AO par une réaction électrochimique de réduction de l’oxygène à deux électrons plus respectueuse de l’environnement (2e-ORR) dépend de catalyseurs bon marché et efficaces.
Cependant, le catalyseur sans métal à base de carbone en tant que candidat prometteur ne se comporte de manière encourageante que dans des conditions neutres ou alcalines, où H2O2 est instable pour la collecte ou défavorable pour les applications de liaison, c’est-à-dire la réaction e-Fenton. De plus, il reste difficile d’identifier les véritables sites catalytiques actifs et le mécanisme 2e-ORR sous-jacent.
Dans une étude publiée dans Catalyse chimiqueun groupe de recherche dirigé par le professeur Guan Lunhui de l’Institut de recherche sur la structure de la matière du Fujian de l’Académie chinoise des sciences a mis au point un catalyseur 2e-ORR acide hautement efficace et sans métal avec un taux de production de peroxyde d’hydrogène enregistré basé sur la pyrimidine- modulation assistée du site actif et graphène à quelques couches S, N-codopé pour l’optimisation électronique de la valence.
Le catalyseur a présenté une activité et une sélectivité exceptionnelles pour le 2e-ORR dans l’acide. La sélectivité en H2O2 atteint 90 % ~ 100 % sur une plage potentielle de 0,20 ~ 0,55 V et le taux de production maximal de H2O2 (4,8 mol·g-1·h-1) dépasse toutes les performances de production de H2O2 rapportées pour les catalyseurs à base de carbone.
Des expériences et des simulations de la théorie de la fonctionnelle de la densité (contribuées par le professeur Chai Guoliang) ont révélé que l’effet de synergie du motif fonctionnel combiné soufre oxydé et pyridinique-N peut abaisser le niveau de Fermi des états électroniques de valence des sites de carbone de bord actif, et conduit ainsi à une force de liaison appropriée de l’intermédiaire *OOH pour une sélectivité et une performance élevées 2e-ORR pour la formation de H2O2.
En particulier, les chercheurs ont observé un décalage évident vers une haute énergie de l’excitation C 1s dans la structure fine d’absorption des rayons X près du bord avec incorporation de S, comme preuve solide de l’optimisation électronique de la valence de la surface du catalyseur au carbone.
De plus, couplé à la réaction de Fenton pour un procédé électron-Fenton, il peut dégrader un polluant organique modèle (le bleu de méthylène [MB]50 ppm) à incolore en un court laps de temps de 15 min.
Cette étude crée non seulement un catalyseur à base de carbone efficace pour la production de H2O2 dans l’acide, mais fournit également une voie d’optimisation des propriétés électroniques utile pour le réglage futur des catalyseurs de matériaux à base de carbone.
Jiaoxing Xu et al, Synthèse assistée par pyrimidine de graphène à quelques couches S, N-codopé pour une production très efficace de peroxyde d’hydrogène dans l’acide, Catalyse chimique (2022). DOI : 10.1016/j.checat.2022.04.011