Urée, avec la formule Co (NH2)2est un composé chimique qui est largement utilisé dans une gamme de secteurs, notamment la fabrication, l'agriculture et diverses industries. Conventionnellement, ce composé est produit via un processus en deux étapes qui implique la synthèse de l'ammoniac à partir d'azote (N₂) et sa réaction ultérieure avec le dioxyde de carbone (CO₂).
Cette réaction se produit à des températures élevées et sous haute pression, conduisant à la formation d'un composé appelé carbamate d'ammonium. Ce composé est ensuite décomposé à des pressions inférieures, ce qui produit finalement de l'urée et de l'eau.
Les processus traditionnels de production de l'urée sont très importants en énergie, ce qui signifie que pour produire des quantités d'urée souhaitées, ils consomment beaucoup d'énergie électrique. Au cours des dernières années, certains ingénieurs ont ainsi tenté de concevoir des stratégies plus économes en énergie pour synthétiser l'urée.
Une approche possible pourrait être de synthétiser directement l'urée de CO₂ et N₂ à l'aide d'électrolyseurs, dispositifs qui utilisent l'électricité pour faciliter les réactions chimiques souhaitées. Jusqu'à présent, l'utilisation de ces dispositifs pour synthétiser l'urée s'est avérée difficile, car les réactions secondaires non recherchées dans les dispositifs produisent souvent d'autres composés à la place.
Des chercheurs de l'Université Sun Yat-Sen en Chine ont récemment introduit une nouvelle stratégie pour synthétiser l'urée pure à partir de gaz de combustion prétraités, un gaz déchet émis par les processus industriels, dans un environnement limité à protons atteint à l'aide d'un électrolyzer qui intègre un électrolyte à l'état solide. Leur article, publié dans Nanotechnologie de la naturepourrait ouvrir de nouvelles opportunités précieuses pour la production d'urée économe en énergie à grande échelle.
« L'électrosynthèse de l'urée pure via la co-réduction de CO2 et n2 Reste difficile, « a écrit Yan-Chen Liu, Jia-Run Huang et leurs collègues dans leur article. » Nous montrons qu'un environnement limité à un proton établi dans un électrolyte équipé d'un électrolyte à l'état solide poreux, dépourvu d'un électrolyte aqueux, peut supprimer la réaction d'évolution de l'hydrogène et une hydrogénation excessive de N.2 à l'ammoniac.
« Cela peut plutôt être propice au couplage C – N de * CO2 avec * nhnh (l'intermédiaire de la semi-hydrogénation de n2), facilitant ainsi la production d'urée. «
La nouvelle stratégie pour synthétiser l'urée introduite par cette équipe de recherche repose principalement sur la création d'un environnement à protons limité, une condition dans laquelle les ions hydrogène (c.-à-d. Les protons) sont rares. Cette condition a été réalisée avec succès à l'aide d'un électrolyzer qui contient un électrolyte à l'état solide poreux.
« En utilisant des nanofeuilles d'un cadre métallique – azolate bidimensionnel ultra-dimensionnel avec des grappes hétérotrimétaires cycliques comme catalyseur, l'efficacité faradaïque de la production d'urée à partir de gaz de combustion prétraitée (qui contient principalement 85% N.2 et 15% CO2) a une hauteur de 65,5%, et aucun produit d'ammoniac et d'autres produits liquides n'a été généré « , a écrit Liu, Huang et leurs collègues.
« À une faible tension cellulaire de 2,0 V, le courant peut atteindre 100 mA et le taux de production de l'urée est élevé que 5,07 gchat−1 H−1ou 84,4 mmol gchat−1H−1. Notamment, il peut produire en continu une solution aqueuse d'urée pure de 6,2% en poids pendant au moins 30 h, et environ 1,24 g un solide d'urée pur a été obtenu. «
Dans les expériences initiales de l'équipe, leur stratégie a permis la production continue d'urée de haute pureté sans sous-produits d'ammoniac, tout en consommant moins d'énergie que les approches conventionnelles de synthèse de l'urée. À l'avenir, il pourrait être testé davantage et mis en œuvre à grande échelle, permettant potentiellement la production plus verte et rentable d'urée à grande échelle.
« L'utilisation de gaz de combustion prétraitée comme matière première directe réduit considérablement les coûts des entrées, et le taux de réaction et la sélectivité élevés contribuent à une réduction de l'échelle du système et des coûts opérationnels », ont écrit les chercheurs.
