Une équipe de recherche de l'Université nationale de Taiwan, dirigée par le professeur Chih-Jung Chen, a développé une plate-forme électrochimique innovante capable de convertir efficacement la biomasse en produits chimiques de grande valeur tout en générant simultanément des membranes d'hydrogène – sans l'utilisation d'électrolytes conventionnels ou de membranes d'échange d'ions.
Cette progression offre une solution prometteuse à des défis de longue date dans la production chimique durable et les technologies d'énergie propre.
Dans leur étude publiée dans le Journal de génie chimiquel'équipe a introduit un système de « réservoir redox » (RR) qui découple l'oxydation du 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) – un composé clé de biomasse clé – de la réaction d'évolution de l'hydrogène (elle).
En séparant ces deux demi-réactions à la fois spatialement et temporellement, le système minimise les réactions secondaires indésirables et permet un plus grand contrôle sur chaque processus.
Traditionnellement, l'oxydation du HMF est effectuée dans des électrolytes fortement alcalins pour améliorer les taux de réaction. Cependant, de tels environnements déclenchent souvent des réactions secondaires indésirables comme la disproportion de Cannizzaro et la formation d'humin, la réduction du rendement des produits et l'efficacité du carbone. De plus, le processus cathodique de son processus peut déstabiliser davantage les molécules de HMF, entraînant une perte de carbone importante.
Pour répondre à ces limites, les chercheurs ont conçu une électrode RR réutilisable composée d'oxyhydroxyde de nickel (NIOOH), qui sert d'oxydant à l'état solide.
Dans l'eau pure, le RR oxyde chimiquement HMF sans avoir besoin de sels d'électrolyte ou de tension externe, subissant une conversion en hydroxyde de nickel (Ni (OH)2). Cette forme réduite de la RR peut ensuite être régénérée électrochimiquement pendant elle, terminant ainsi le cycle redox.
« Le concept est similaire au stockage d'hydroélectricité pompé, mais mis en œuvre à l'échelle microscopique », a expliqué l'auteur principal Shih-Wei Lin. « L'énergie est stockée électrochimiquement dans l'électrode RR pendant elle et a ensuite libéré chimiquement pour entraîner l'oxydation de la biomasse – efficacement et proprement. »
La plate-forme a démontré des performances remarquables, atteignant un rendement de 97,4% de l'acide 2,5-furandicarboxylique (FDCA) – un monomère clé pour les bioplastiques – des concentrations de HMF pouvant atteindre 300 mm, abordant les niveaux pertinents industriels.
Au cours de son pas, la régénération de Niooh a maintenu une efficacité faradique de 96,0%, tandis que le processus global a atteint une efficacité de tension élevée de 94,8%.
« Nos résultats ouvrent de nouvelles avenues pour la synthèse chimique verte », a déclaré le professeur Chih-Jung Chen. « Le système est également capable d'oxyder d'autres molécules organiques contenant des groupes d'aldéhyde ou d'alcool, comme le furfural, soulignant sa polyvalence. »
En éliminant les électrolytes de support et les composants membranaires, l'approche réduit les demandes d'énergie, abaisse les coûts des matériaux et simplifie la purification en aval. Il minimise également les pertes de carbone et améliore la pureté des produits, offrant une voie évolutive et durable pour produire des produits chimiques bio-basés et de l'hydrogène propre.
Cette percée représente une étape critique vers la décarbonisation de l'industrie chimique et tirant parti de l'électricité renouvelable pour les transformations chimiques responsables de l'environnement.
