Un champ magnétique pendant la synthèse du catalyseur triple le rendement de l'ammoniac

De l'industrie chimique et de l'économie de l'hydrogène à la production d'engrais à base d'ammoniac, les nouvelles technologies de catalyse sont la clé d'une durabilité et d'une efficacité accrues. Prenons l'exemple de la synthèse de l'ammoniac : le célèbre procédé Haber-Bosch consomme entre 1 et 2 % de l'énergie mondiale et est responsable de près de 1 % des émissions annuelles de gaz à effet de serre. Cependant, le procédé Haber-Bosch, qui consomme beaucoup d'énergie, n'est plus la seule option. Une nouvelle approche est basée sur la conversion électrochimique du nitrate en ammoniac. Le nitrate s'accumule en grandes quantités sous forme de lisier dans l'agriculture intensive et est particulièrement nocif pour les cours d'eau. Cependant, des catalyseurs appropriés sont nécessaires pour empêcher la formation de sous-produits contenant de l'hydrogène et de l'azote lors de la conversion du nitrate en ammoniac. À cet égard, la classe des oxydes de métaux de transition spinelle est considérée comme particulièrement prometteuse, notamment les films minces de CoFe₂O₄.

Un champ magnétique externe appliqué pendant la synthèse de ces catalyseurs peut augmenter considérablement leur efficacité et leur sélectivité, comme le démontre une étude dirigée par le Dr Marcel Risch, HZB, et le professeur Sanjay Mathur, Université de Cologne. En appliquant un champ magnétique pendant le dépôt chimique en phase vapeur, nous voulions adapter les états de surface et la distribution des cations dans les films minces de CoFe₂O₄ afin de créer des électrocatalyseurs de surface plus efficaces", explique M. Mathur, qui a dirigé la synthèse des matériaux. Cette hypothèse a été confirmée très clairement.

Les couches de CoFe₂O₄ produites sous un champ magnétique de 1 T ont donné les meilleurs résultats : comparées aux couches de CoFe₂O₄ produites sans champ magnétique, elles ont produit trois fois plus d'ammoniac, ce qui démontre l'efficacité de l'ingénierie de surface contrôlée par champ magnétique. Si l'on compare le rendement en ammoniac du catalyseur CoFe₂O₄-1T à celui de l'oxyde de fer pur _Fe3O4-1T, également synthétisé sous un champ magnétique de 1 Tesla, le rendement en ammoniac était plusieurs fois supérieur (22 fois). Cela montre que le cobalt joue un rôle décisif dans la réduction des nitrates. Des calculs DFT supplémentaires confirment que le cobalt supprime effectivement la réaction concurrente de dégagement d'hydrogène tout en favorisant simultanément la conversion du nitrate. Le champ magnétique appliqué stabilise les ions Co²⁺ catalytiquement actifs sur les sites octaédriques, ce qui abaisse manifestement les barrières cinétiques pour la réduction des nitrates", explique Risch.

L'étude démontre qu'à côté de la température et de la pression, le champ magnétique est un paramètre efficace pour contrôler la distribution des cations, les structures des domaines magnétiques et les états de surface au niveau atomique pendant la croissance des catalyseurs en couche mince. Bien que le champ magnétique ne soit appliqué que pendant la croissance de la couche mince, les améliorations continuent d'avoir un effet positif durable même pendant les opérations électrochimiques sans champ. Cela rend notre approche particulièrement prometteuse pour les applications pratiques, puisqu'aucun champ magnétique externe n'est nécessaire pendant l'électrolyse", déclare Risch.

Les images prises au microscope électronique à balayage montrent que les surfaces des couches minces de _CoFe2O4 sont systématiquement beaucoup plus rugueuses - et donc plus grandes - plus le champ magnétique est intense pendant la synthèse. Nous espérons que ces résultats stimuleront une exploration plus large des stratégies assistées par champ magnétique pour adapter les électrocatalyseurs", déclare M. Mathur.