Une équipe de recherche affiliée à UNIST a dévoilé une technologie qui transforme les nitrates trouvés dans les eaux usées en ammoniac, un produit chimique vital et un transporteur d'énergie prometteur, sans émissions de carbone. Cette progression offre non seulement une méthode durable pour la production d'ammoniac, mais contribue également aux efforts de purification des eaux usées.
Conjointement dirigée par les professeurs Kwanyong SEO et Ji-Wook Jang de la School of Energy Chemistry de UNIST, l'équipe de recherche a conçu avec succès un système photoélectrochimique (PEC) à énergie solaire capable de convertir des polluants de nitrate en ammonia dans des conditions ambiantes. La recherche est publiée dans la revue Matériaux avancés.
L'ammoniac est un produit chimique essentiel utilisé à l'échelle mondiale dans l'agriculture et l'industrie, avec une consommation annuelle supérieure à 150 millions de tonnes. Sa teneur élevée en hydrogène le positionne également comme un candidat prometteur pour les solutions de stockage d'énergie et de transport de nouvelle génération. Cependant, la méthode industrielle en vigueur – le processus de bosch Haber – est fortement sur des conditions à haute température et à haute pression, entraînant des émissions de gaz à effet de serre importantes.
Le nouveau système PEC utilise la lumière du soleil pour entraîner la réduction du nitrate sans avoir besoin de puissance électrique externe, en tirant parti des eaux usées en tant que matière première. Les nitrates, lorsqu'ils sont présents à des concentrations élevées, posent des risques pour la santé tels que la méthémoglobinémie et les cancers gastriques. La nouvelle technologie réduit sélectivement les nitrates à l'ammoniac, abordant efficacement la pollution de l'eau et la synthèse durable de l'ammoniac.
Le système comprend une photocathode à base de silicium associée à un catalyseur en feuille de nickel. La lumière du soleil excite le silicium, générant des électrons qui sont ensuite canalisés via le catalyseur de nickel pour réduire les nitrates en ammoniac. Une innovation clé réside dans la formation d'une fine couche d'hydroxyde de nickel (Ni (OH)2) Sur la surface du catalyseur pendant le fonctionnement, qui supprime les réactions concurrentes comme l'évolution de l'hydrogène et améliore la sélectivité vers la production d'ammoniac.
Ce mécanisme a été confirmé par des expériences approfondies et des calculs mécaniques quantiques. Le professeur Suthsu Ryu du département de physique d'Uist, en utilisant des simulations de théorie fonctionnelle de la densité (DFT), a démontré que Ni (OH)2 Offre des sites actifs qui favorisent la réduction du nitrate à l'ammoniac, réduisant les barrières énergétiques impliquées.
Remarquablement, le système a atteint un taux de production d'ammoniac record de 554 microgrammes par centimètre carré par heure sans aucun biais externe, surpassant les technologies précédentes de plus de 50%. Le système a maintenu ses performances sur un plus grand 25 cm2 Échelle, indiquant un potentiel prometteur d'application du monde réel.
Le professeur SEO a noté: « La conversion des polluants de nitrate en ammoniac purifie non seulement l'eau, mais contribue également à la neutralité du carbone. Notre objectif est de développer des appareils PEC pratiques à grande échelle capables de produire de l'ammoniac à l'extérieur, en utilisant directement la lumière du soleil et les eaux usées comme ressources. »
