Le procédé Haber-Bosch est aujourd’hui l’approche industrielle de la production de NH3, qui doit être opérée à des températures et des pressions élevées énergivores. La réduction du diazote (N2) par électrocatalyse offre une voie alternative pour la production de NH3 dans des conditions ambiantes et divers électrocatalyseurs ont été étudiés au cours des dernières années.
Cependant, même le meilleur système catalytique rapporté ne pouvait obtenir que des performances insatisfaisantes (telles que la sélectivité et le taux de production de NH3) en raison de l’inertie du N2. La réaction de réduction de N2 médiée par le lithium (Li-eN2RR) s’est avérée être une voie prometteuse pour promouvoir la synthèse électrochimique de NH3.
À cet égard, un groupe de chercheurs a résumé les mécanismes de réaction, les catalyseurs développés et les électrolytes impliqués sur la base des progrès de recherche les plus récents de Li-eN2RR. Ils soulignent également les défis et les stratégies de résolution possibles dans le Li-eN2RR.
Cela pourrait fournir une vue panoramique du domaine concerné et faciliter le développement du Li-eN2RR pour la production de NH3 vert. Soleil et al. ont publié leur critique dans Chimie Industrielle & Matériaux.
« La réduction électrocatalytique de N2 pour la production de NH3 a fait l’objet de recherches approfondies, qui ont été examinées de manière approfondie par de nombreux universitaires spécialisés dans le domaine », a déclaré l’auteur correspondant Zhenyu Sun, professeur à l’Université de technologie chimique de Pékin.
« Ces revues fournissent des informations détaillées sur les performances catalytiques et les mécanismes impliqués, ce qui peut être d’une grande aide pour les chercheurs. Cependant, le taux de production de NH3 est encore faible, loin derrière l’exigence d’une application industrielle. La réaction de réduction du N2 médiée par le lithium (Li -eN2RR) recèle un grand potentiel pour la production de NH3 dans des conditions ambiantes. »
« Par conséquent, nous fournissons cet aperçu complet pour résumer les progrès récents de Li-eN2RR. Cette revue démontre les aspects fondamentaux de Li-eN2RR, y compris la composition commune des électrolytes, la suppression de l’évolution de l’hydrogène, le mécanisme de réaction, les électrocatalyseurs signalés et les défis et des perspectives, qui peuvent être utiles aux nouvelles personnes dans ce domaine et constituer une ressource précieuse pour les chercheurs, les décideurs et les professionnels de l’industrie. »
L’étape déterminant la vitesse dans la synthèse de NH3 est souvent l’adsorption et l’activation de N2. Cependant, en raison de l’inertie de N2, il est extrêmement difficile de rompre la triple liaison N≡N. Dans le processus Li-eN2RR, Li peut être utilisé comme médiateur pour fixer N2 en tant que Li3N, qui se convertit ensuite en NH3.
« Il y a eu différents points de vue sur le mécanisme de réaction du Li-eN2RR. Nous fournissons une analyse détaillée des mécanismes rapportés », a déclaré Sun.
Trois mécanismes différents, y compris la séparation chimique du N2 et la protonation chimique, l’activation et la protonation du N2 par un mécanisme associatif, et la séparation chimique du N2 et la protonation électrochimique ont été introduits avec leurs étapes de réaction respectives.
La section sur les mécanismes de réaction de Li-eN2RR démontre les différentes voies d’activation et d’hydrogénation de N2 pour la production de NH3. « Grâce aux différents mécanismes, nous pouvons avoir une compréhension globale du Li-eN2RR, qui peut guider la conception du système catalytique. »
La conception rationnelle des électrocatalyseurs est cruciale pour le Li-eN2RR. Il y a eu quelques stratégies pour l’ingénierie des électrodes pour obtenir des performances améliorées.
« Les électrocatalyseurs ainsi que leurs stratégies de conception ont été classés en fonction des espèces métalliques impliquées », a déclaré Sun.
« Différents types d’électrocatalyseurs, y compris les catalyseurs de métaux nobles tels que Ru, Ag, Au ; les catalyseurs de métaux non précieux tels que les matériaux à base de cuivre, le molybdène, le sel d’alliage liquide de lithium, le tissu en acier inoxydable ; et les catalyseurs non métalliques tels que les catalyseurs à base de carbone Les matériaux ont été passés en revue de manière exhaustive. Il a été discuté en détail de leurs performances et des sites actifs catalytiques dans Li-eN2RR, qui pourraient éclairer la conception des futurs catalyseurs vers une production efficace de NH3.
Une autre partie importante de Li-eN2RR est les électrolytes. Selon Zhenyu Sun, une plus grande attention devrait être accordée à l’étude des électrolytes dans la réduction électrocatalytique de N2 compte tenu de l’importance des électrolytes pour la réaction et pour la dissolution de N2.
Certains électrolytes contenant du Li ont été développés pour Li-eN2RR, mais des efforts supplémentaires doivent encore être consacrés à l’amélioration du rendement en NH3. Cela nécessite le travail synergique entre les électrolytes et les électrocatalyseurs ainsi que l’étude de leur interface.
« L’objectif principal de cette revue est de fournir aux lecteurs une compréhension claire des progrès actuels de la recherche sur le Li-eN2RR, qui en est encore à ses débuts mais prometteur pour la production électrocatalytique de NH3. Nous soulignons également les défis et proposons des stratégies pour les surmonter. Nous espérons qu’il sera utile de promouvoir le développement du Li-eN2RR vers la production de NH3 vert », a déclaré Sun.
Plus d’information:
Muhammad Saqlain Iqbal et al, Réaction électrochimique de réduction du diazote médiée par le lithium, Chimie Industrielle & Matériaux (2023). DOI : 10.1039/D3IM00006K
Fourni par Chimie industrielle et matériaux