L'article présente des éléments révolutionnaires Une étude Des scientifiques du WPI ont mis au point un matériau unique à base d'atomes de nickel et de cobalt permettant d'éliminer sélectivement l'urée de l'eau et de la convertir potentiellement en hydrogène gazeux. Cette innovation répond aux enjeux environnementaux liés à l'urée, offrant une double solution : d'une part, elle atténue son impact néfaste dans les eaux de ruissellement agricoles et les eaux usées, et d'autre part, elle exploite son potentiel pour une production d'hydrogène durable. La conception novatrice de cet électrocatalyseur, qui surmonte un obstacle historique, rend l'électrolyse de l'urée plus écoénergétique. Ces recherches contribuent non seulement au développement durable, mais démontrent également l'application pratique de l'urée dans la production d'hydrogène, illustrant ainsi son impact potentiel sur le lien eau-énergie.
Ce mélange nickel-cobalt est-il la clé de l'hydrogène vert produit à partir d'urée ?
Des scientifiques du WPI Des chercheurs ont mis au point un matériau révolutionnaire conçu pour extraire l'urée de l'eau et potentiellement la transformer en hydrogène gazeux. Cette approche novatrice repose sur la conception de matériaux à base d'atomes de nickel et de cobalt dotés de structures électroniques précisément adaptées. Cette avancée permet aux oxydes et hydroxydes de métaux de transition d'oxyder sélectivement l'urée par une réaction électrochimique.
L'équipe, dirigée par Xiaowei Teng, professeur de génie chimique titulaire de la chaire James H. Manning à WPI, a récemment publié ses résultats dans le Journal of Physical Chemistry Letters, obtenant ainsi une place de choix en couverture du supplément de la publication. L'urée, un engrais azoté agricole économique et un sous-produit naturel du métabolisme humain, joue un double rôle en matière d'impact environnemental.
Les eaux de ruissellement agricoles riches en urée et les rejets d'eaux usées municipales contribuent à l'eutrophisation, entraînant la prolifération d'algues nuisibles et la formation de zones mortes hypoxiques qui menacent les écosystèmes aquatiques et la santé humaine. Cependant, les propriétés uniques de l'urée en font également un candidat prometteur pour le stockage de l'hydrogène, offrant une solution potentielle pour une production d'hydrogène à la demande.
L'urée est non toxique, très soluble dans l'eau et riche en hydrogène (6.7 % en masse). Par conséquent, son utilisation pour l'électrolyse en vue de la production d'hydrogène s'avère plus économe en énergie et plus rentable que l'électrolyse de l'eau traditionnelle.
L'un des principaux défis de l'électrolyse de l'urée réside dans le manque d'électrocatalyseurs abordables et très efficaces, capables d'oxyder sélectivement l'urée plutôt que l'eau. Teng et son équipe ont surmonté cet obstacle en développant des électrocatalyseurs composés d'atomes de nickel et de cobalt interagissant en synergie et présentant des structures électroniques uniques, ce qui facilite l'électro-oxydation sélective de l'urée.
L'étude de l'équipe WPI s'est concentrée sur les oxydes et hydroxydes homogènes de nickel et de cobalt, en soulignant le rôle crucial des structures électroniques adaptées avec des espèces Ni2+ et Co3+ dominantes pour améliorer l'activité électrochimique et la sélectivité de l'oxydation de l'urée.
Teng a expliqué : « Cette configuration électronique est un facteur essentiel pour améliorer la sélectivité de l’oxydation de l’urée. Une valence plus élevée du nickel, comme Ni3+, facilite une réaction rapide avec un courant électrique important, mais une part significative de ce courant provient d’une oxydation indésirable de l’eau. »
En collaboration avec Aaron Deskins, professeur de génie chimique à WPI, les chercheurs ont réalisé des simulations informatiques pour approfondir leurs connaissances. Les résultats ont montré que le mélange homogène d'oxydes et d'hydroxydes de nickel et de cobalt favorisait la redistribution des électrons, créant ainsi un environnement plus propice à l'interaction des catalyseurs Ni/Co avec les molécules d'urée et d'eau.
L'urée, un engrais azoté et un additif alimentaire majeur, est produite commercialement depuis les années 1920, avec environ 180 millions de tonnes métriques fabriquées en 2021. Il est intéressant de noter que l'urée peut également être extraite de sources naturelles, car un adulte humain produit quotidiennement 1.5 litre d'urine, ce qui équivaut à 11 kg d'urée et 0.77 kg d'hydrogène gazeux par an.
Les implications des découvertes de l'équipe du WPI sont considérables. Elles pourraient ouvrir la voie à l'utilisation de l'urée présente dans les effluents pour produire efficacement de l'hydrogène par électrolyse. De plus, cette avancée majeure pourrait permettre de séquestrer l'urée dans l'eau, contribuant ainsi à la durabilité à long terme des écosystèmes et révolutionnant le lien entre l'eau et l'énergie.
Ces travaux novateurs ont été rendus possibles grâce au soutien de la National Science Foundation, sous le numéro de subvention 2236704.
