Une pointe d’atomes de ruthénium sur un maillage de nanofils de cuivre pourrait être un pas vers une révolution dans l’industrie mondiale de l’ammoniac qui aide également l’environnement.
Des collaborateurs de la George R. Brown School of Engineering de l’Université Rice, de l’Arizona State University et du Pacific Northwest National Laboratory ont développé le catalyseur haute performance qui peut, avec une efficacité proche de 100 %, extraire l’ammoniac et l’ammoniac solide, c’est-à-dire l’engrais, à partir de faibles niveaux de nitrates qui sont répandus dans les eaux usées industrielles et les eaux souterraines polluées.
Une étude menée par l’ingénieur chimiste et biomoléculaire de Rice, Haotian Wang, montre que le processus convertit des niveaux de nitrate de 2 000 parties par million en ammoniac, suivi d’un processus efficace d’extraction de gaz pour la collecte des produits d’ammoniac. La teneur en azote restant après ces traitements peut être ramenée à des niveaux « potables » tels que définis par l’Organisation mondiale de la santé.
« Nous avons réalisé un processus complet de dénitrification de l’eau », a déclaré l’étudiant diplômé Feng-Yang Chen. « Avec un traitement supplémentaire de l’eau sur d’autres contaminants, nous pouvons potentiellement transformer les eaux usées industrielles en eau potable. »
Chen est l’un des trois auteurs principaux de l’article paru dans Nanotechnologie de la nature.
L’étude montre une alternative prometteuse vers des procédés efficaces pour une industrie qui dépend d’un procédé énergivore pour produire plus de 170 millions de tonnes d’ammoniac par an.
Les chercheurs savaient, grâce à des études antérieures, que les atomes de ruthénium sont des champions pour catalyser les eaux usées riches en nitrates. Leur torsion consistait à le combiner avec du cuivre qui supprime la réaction de dégagement d’hydrogène, un moyen de produire de l’hydrogène à partir de l’eau qui, dans ce cas, est un effet secondaire indésirable.
« Nous savions que le ruthénium était un bon métal candidat pour la réduction des nitrates, mais nous savions également qu’il y avait un gros problème, qu’il pouvait facilement avoir une réaction concurrente, qui est le dégagement d’hydrogène », a déclaré Chen. « Lorsque nous appliquions du courant, une grande partie des électrons irait simplement à l’hydrogène, pas au produit que nous voulons. »
« Nous avons emprunté un concept à d’autres domaines comme la réduction du dioxyde de carbone, qui utilise le cuivre pour supprimer l’évolution de l’hydrogène », a ajouté Wang. « Ensuite, nous avons dû trouver un moyen de combiner organiquement le ruthénium et le cuivre. Il s’avère que la dispersion d’atomes de ruthénium uniques dans la matrice de cuivre fonctionne le mieux. »
L’équipe a utilisé des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité pour expliquer pourquoi les atomes de ruthénium facilitent le passage de la voie chimique qui relie le nitrate et l’ammoniac, selon l’auteur co-correspondant Christopher Muhich, professeur adjoint de génie chimique à l’Arizona State.
« Lorsqu’il n’y a que du ruthénium, l’eau gêne », a déclaré Muhich. « Lorsqu’il n’y a que du cuivre, il n’y a pas assez d’eau pour fournir des atomes d’hydrogène. Mais sur les sites uniques de ruthénium, l’eau n’est pas aussi compétitive, fournissant juste assez d’hydrogène sans prendre de place pour que le nitrate réagisse. »
Le processus fonctionne à température ambiante et sous pression ambiante, et à ce que les chercheurs ont appelé un courant de réduction des nitrates « industriel » de 1 ampère par centimètre carré, la quantité d’électricité nécessaire pour maximiser le taux de catalyse. Cela devrait faciliter la mise à l’échelle, a déclaré Chen.
« Je pense que cela a un grand potentiel, mais il a été ignoré car il était difficile pour les études précédentes d’atteindre une si bonne densité de courant tout en maintenant une bonne sélectivité du produit, en particulier sous de faibles concentrations de nitrate », a-t-il déclaré. « Mais maintenant, c’est exactement ce que nous démontrons. Je suis convaincu que nous aurons des opportunités de pousser ce processus pour des applications industrielles, en particulier parce qu’il ne nécessite pas de grandes infrastructures. »
L’un des principaux avantages du procédé est la réduction des émissions de dioxyde de carbone provenant de la production industrielle traditionnelle d’ammoniac. Celles-ci ne sont pas négligeables, s’élevant à 1,4% des émissions annuelles mondiales, notent les chercheurs.
« Bien que nous ayons compris que la conversion des déchets de nitrate en ammoniac pourrait ne pas être en mesure de remplacer complètement l’industrie de l’ammoniac existante à court terme, nous pensons que ce processus pourrait apporter des contributions significatives à la production décentralisée d’ammoniac, en particulier dans les endroits où les sources de nitrate sont élevées », a déclaré Wang. .
Parallèlement à la nouvelle étude, le laboratoire de Wang et celui de l’ingénieur environnemental de Rice, Pedro Alvarez, directeur du Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Center, ont récemment publié un article dans le Journal de chimie physique C détaillant l’utilisation de nanoparticules de cobalt-cuivre sur un substrat de papier en fibre de carbone 3D comme catalyseur efficace pour synthétiser l’ammoniac à partir de la réduction des nitrates. Ce catalyseur à faible coût s’est également révélé très prometteur pour la dénitrification des eaux usées.
Feng-Yang Chen et al, Conversion efficace de sources de nitrate à faible concentration en ammoniac sur un électrocatalyseur à nanofils de cuivre dispersé au Ru, Nanotechnologie de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41565-022-01121-4