Des scientifiques résolvent le mystère électrochimique « catalyse ou corrosion »

Des ingénieurs de Pitt, Drexel et Brookhaven ont résolu le mystère « catalyse ou corrosion » dans la production électrochimique d’ozone.

Des chercheurs de l'Université de Pittsburgh, de l'Université Drexel de Philadelphie et du Brookhaven National Laboratory collaborent pour résoudre un mystère complexe visant à rendre les traitements de désinfection de l'eau plus durables.

Les technologies évolutives de production électrochimique d’ozone (EOP) pour désinfecter l’eau sale pourraient un jour remplacer les traitements centralisés au chlore utilisés aujourd’hui, que ce soit dans les villes modernes ou les villages isolés. Cependant, on comprend peu de choses sur l’EOP au niveau moléculaire et sur la manière dont les technologies qui la rendent possible peuvent être efficaces, économiques et durables.

Leurs recherches ont été publiées récemment dans la revue Catalyse ACS. L'auteur principal est Rayan Alaufey, doctorant à Drexel, avec des chercheurs collaborateurs de Drexel, dont la co-PI Maureen Tang, professeure agrégée de génie chimique et biologique, le chercheur postdoctoral Andrew Lindsay, la doctorante Tana Siboonruang et Ezra Wood, professeur agrégé de chimie ; co-PI John A. Keith, professeur agrégé de génie chimique et pétrolier, et étudiant diplômé Lingyan Zhao de Pitt ; et Qin Wu de Brookhaven.

Les avantages de l’ozone par rapport au chlore

« Les gens utilisent le chlore pour traiter l’eau potable depuis le 19^ème siècle, mais aujourd’hui nous comprenons mieux que le chlore n’est pas toujours la meilleure option. L'EOP, par exemple, peut générer de l'ozone, une molécule ayant à peu près le même pouvoir désinfectant que le chlore, directement dans l'eau. Contrairement au chlore qui persiste de manière stable dans l’eau, l’ozone présent dans l’eau se décompose naturellement après environ 20 minutes, ce qui signifie qu’il est moins susceptible de nuire aux personnes qui consomment de l’eau du robinet, qui nagent dans une piscine ou qui nettoient des plaies dans un hôpital », a expliqué Keith, qui est également chercheur RK Mellon en énergie à la Pitt's Swanson School of Engineering.

« L'EOP pour une désinfection durable aurait beaucoup de sens sur certains marchés, mais pour y parvenir, il faut un catalyseur suffisamment performant, et comme personne n'a encore trouvé de catalyseur EOP suffisamment performant, l'EOP est trop chère et trop gourmande en énergie pour une utilisation plus large. Mes collègues et moi avons pensé que si nous pouvions décoder au niveau atomique ce qui fait fonctionner un catalyseur EOP médiocre, nous pourrions peut-être concevoir un catalyseur EOP encore meilleur.

Enquête sur l'efficacité des catalyseurs de l'OTAN

Résoudre le mystère du fonctionnement des catalyseurs EOP est crucial pour comprendre comment mieux concevoir l'un des catalyseurs EOP les plus prometteurs et les moins toxiques connus à ce jour : l'oxyde d'étain dopé au nickel et à l'antimoine (Ni/Sb-SnO2, ou OTAN).

C’est là, dit Keith, que réside l’énigme : qu’est-ce que chaque atomeLe rôle de l'OTAN dans l'aide à l'EOP ? L'ozone se forme-t-il de manière catalytique comme nous le souhaitons, ou se forme-t-il parce que le catalyseur se décompose, et des travaux futurs doivent être menés pour rendre les catalyseurs de l'OTAN plus stables ?

Étonnamment, les chercheurs ont découvert qu’il s’agissait probablement d’un mélange des deux.

En utilisant des analyses électrochimiques expérimentales, la spectrométrie de masse et la modélisation informatique de la chimie quantique, les chercheurs ont créé un « scénario à l’échelle atomique » pour expliquer comment l’ozone est généré sur les électrocatalyseurs de l’OTAN. Pour la première fois, ils ont identifié qu'une partie du nickel présent dans l'OTAN s'échappait probablement des électrodes par corrosion, et que ces atomes de nickel, flottant désormais dans la solution près du catalyseur, pouvaient favoriser des réactions chimiques qui finiraient par générer de l'ozone.

« Si nous voulons fabriquer un meilleur électrocatalyseur, nous devons comprendre quelles pièces fonctionnent et quelles ne fonctionnent pas. Des facteurs tels que la lixiviation des ions métalliques, la corrosion et les réactions en phase de solution peuvent donner l’impression qu’un catalyseur fonctionne dans un sens alors qu’en réalité il fonctionne dans l’autre.

Keith a noté que l'identification de la prévalence de la corrosion et des réactions chimiques se produisant en dehors du catalyseur est une étape importante à clarifier avant que d'autres chercheurs puissent poursuivre les améliorations de l'EOP et d'autres processus électrocatalytiques. Dans leur conclusion, ils notent que « l’identification ou la réfutation de l’existence de telles contraintes technologiques fondamentales sera essentielle à toute application future de l’EOP et d’autres procédés d’oxydation électrochimique avancés ».

« Nous savons que le traitement électrochimique de l’eau fonctionne à petite échelle, mais la découverte de meilleurs catalyseurs le propulsera à l’échelle mondiale. La prochaine étape consiste à trouver de nouvelles combinaisons atomiques dans des matériaux plus résistants à la corrosion, mais qui favorisent également une EOP économiquement et durablement viable », a déclaré Keith.

L'étude a été financée par la National Science Foundation des États-Unis.