La pollution par les nitrates dans l’eau menace les écosystèmes et la santé humaine, mais son élimination efficace sans produire de sous-produits nocifs reste un défi. Une nouvelle étude rapporte un double catalyseur monoatomique conçu sur des sphères de carbone mésoporeux à double coque qui atteint à la fois une activité et une sélectivité élevées.
Les niveaux excessifs de nitrates dans les eaux souterraines et les eaux usées proviennent souvent des effluents agricoles, des eaux usées et des industries, provoquant une eutrophisation, un déséquilibre écologique et des risques pour la santé tels que la méthémoglobinémie. Les méthodes de traitement traditionnelles, notamment la dénitrification biologique, la séparation par membrane et l'adsorption, souffrent de coûts élevés, de demandes énergétiques ou d'une pollution secondaire.
La dénitrification électrocatalytique est apparue comme une alternative intéressante, convertissant directement le nitrate en ammoniac ou en azote gazeux. Cependant, la plupart des catalyseurs favorisent la formation d’ammoniac en raison de voies d’hydrogénation plus faciles, ce qui soulève des problèmes de toxicité et de coûts de récupération. Compte tenu de ces défis, il existe un besoin urgent de concevoir des catalyseurs qui convertissent sélectivement le nitrate en azote gazeux inoffensif, garantissant ainsi un traitement durable de l’eau.
Des chercheurs de l'Université de Jiangnan ont développé un nouveau catalyseur double atomique qui convertit sélectivement le nitrate en azote gazeux avec une efficacité exceptionnelle. L'étude, publiée dans Eco-Environnement & Santédémontre comment des sphères de carbone mésoporeuses à double enveloppe hébergeant des sites atomiques de fer et de magnésium permettent une élimination presque complète des nitrates tout en évitant la production nocive d'ammoniac. Avec une conversion de nitrate de 92,8 % et une sélectivité de 95,2 % pour l'azote, le catalyseur a montré une stabilité remarquable dans le fonctionnement à long terme de la Flow Cell, soulignant son potentiel pour faire progresser les technologies durables de traitement des eaux usées.
L’équipe a conçu le catalyseur FeNC@MgNC-DMCS en utilisant une stratégie d’assemblage modulaire séquentiel et de pyrolyse, produisant des sphères de carbone mésoporeuses à double coque avec des sites atomiques spatialement séparés. La coque interne contient du Fe – N4 sites qui accélèrent le couplage azote-azote, tandis que le Mg – N externe4 La coque crée une basicité modérée, agissant comme une « barrière à protons » pour réguler la distribution de l'hydrogène. Cette architecture minimise l’hydrogénation concurrente qui autrement produirait de l’ammoniac.
Les tests en laboratoire ont révélé que le catalyseur optimisé permettait une élimination des nitrates de 92,8 % avec une sélectivité de 95,2 % pour l'azote, surpassant de loin les contrôles à coque unique ou à métal unique. Des études mécanistiques utilisant la spectrométrie de masse in situ et la spectroscopie infrarouge ont confirmé que la voie réactionnelle favorisait le couplage N-N plutôt que l'hydrogénation N-H.
Le catalyseur a également démontré une résilience sur une large plage de pH et des concentrations variables de nitrates, tout en conservant une sélectivité élevée en présence d’ions interférents. Lors d'expériences avec des cellules à circulation continue avec des eaux usées simulées, le catalyseur a conservé une élimination supérieure à 90 % et une sélectivité en azote supérieure à 93 % sur 250 heures. Il est important de noter que le lessivage du Fe et du Mg était minime et bien inférieur aux normes de l’Organisation mondiale de la santé concernant l’eau potable, soulignant sa stabilité structurelle et sa sécurité environnementale.
« Ce travail illustre à quel point une ingénierie atomique minutieuse peut modifier fondamentalement les voies de réaction en électrocatalyse », a déclaré le professeur Hua Zou, co-auteur correspondant de l'étude. « En introduisant une barrière à protons à base de magnésium autour des centres catalytiques en fer, nous avons efficacement empêché les réactions secondaires conduisant à la formation d'ammoniac. Le résultat est un catalyseur qui atteint non seulement une activité élevée, mais également une sélectivité d'azote sans précédent. De telles avancées ouvrent la voie à des solutions pratiques et évolutives pour la pollution par les nitrates, qui constituent un problème urgent pour la durabilité mondiale de l'eau. «
Le développement de catalyseurs FeNC@MgNC-DMCS ouvre de nouvelles possibilités pour les technologies de l'eau propre. Grâce à son efficacité élevée d'élimination des nitrates, son excellente sélectivité en azote et sa durabilité à long terme, le système est particulièrement adapté au traitement des eaux usées dans les environnements agricoles et industriels où la contamination par les nitrates est grave.
Au-delà de la purification de l’eau, la stratégie de conception – combinant deux sites atomiques uniques dans un cadre hiérarchique en carbone – fournit un modèle pour adapter d’autres processus catalytiques qui nécessitent d’équilibrer des voies de réaction concurrentes. En abordant à la fois la sécurité environnementale et la faisabilité opérationnelle, ces travaux contribuent aux efforts mondiaux visant à atténuer la pollution par les nitrates et à faire progresser la gestion durable des ressources.
