Un groupe de recherche dirigé par le professeur Deng Dehui de l’Institut de physique chimique de Dalian (DICP) de l’Académie chinoise des sciences (CAS) a réalisé la conversion directe de l’air en (acide nitrique) HNO3 dans des conditions ambiantes grâce à un radical hydroxyle (·OH )-voie électrochimique hétéro-homogène à médiation.
Au cours de cette voie, le N2 a été oxydé en HNO3 en employant une électroréduction hétérogène de O2 en H2O2 sur un catalyseur à tige de graphite combinée à une dissociation homogène induite par Fe2+ du H2O2 généré in situ en OH· comme espèce d’oxydation réactive.
L’étude a été publiée dans Synthèse naturelle le 25 septembre.
Le HNO3, en tant qu’élément chimique important, est produit industriellement à partir de l’oxydation de l’ammoniac via le procédé d’Ostwald, qui nécessite des températures élevées supérieures à 800°C. Dans ce processus, l’ammoniac gazeux d’alimentation est synthétisé industriellement via la méthode Haber-Bosch, à forte intensité énergétique, fonctionnant généralement à des températures (400 ~ 500°C) et des pressions (20 ~ 50 MPa) élevées.
La conversion directe du diazote (N2) et de l’oxygène (O2) présents dans l’air en HNO3 dans des conditions douces constitue une voie prometteuse et durable pour la production de HNO3. Cependant, les restrictions thermodynamiques et cinétiques de cette réaction, ainsi que la grande stabilité du N2 et la faible activité de l’O2, rendent difficile la réalisation d’une co-activation et d’une conversion efficace des deux molécules de l’air vers la synthèse de HNO3.
Dans cette étude, les chercheurs ont développé une voie électrochimique hétéro-homogène pour la conversion directe de l’air en HNO3 au niveau du compartiment cathodique. Au potentiel cathodique de 0 V par rapport au RHE, l’efficacité faradique de l’acide nitrique atteignait 25,37 % et la sélectivité était supérieure à 99 %, ce qui était supérieur à l’oxydation électrocatalytique du N2 précédemment rapportée à l’anode avec des potentiels élevés supérieurs à 1,23 V contre RHE.
De multiples caractérisations spectroscopiques in situ et calculs théoriques ont révélé que ·OH produit à partir de la dissociation induite par Fe2+ du H2O2 généré in situ pourrait activer efficacement le N2. Cela donne une productivité élevée en HNO3 de 141,83 μmol·h-1·gFe-1, soit 225 fois celle de l’utilisation directe de H2O2 comme oxydant.
« Ce processus de synthèse de HNO3 à partir de N2 et d’O2 évite efficacement les conditions de réaction traditionnelles à haute température et haute pression, et offre une nouvelle voie pour la co-activation et la conversion efficace de N2 et d’O2 dans des conditions douces », a déclaré le professeur Deng. .
Plus d’information:
Shiming Chen et al, Électroconversion directe de l’air en acide nitrique dans des conditions douces, Synthèse naturelle (2023). DOI : 10.1038/s44160-023-00399-z