Contrôle local du pH à la surface de l'électrocatalyseur pour moduler la sélectivité des produits dans la dénitrification – pHSELECT

Synthèse chimique et/ou par méthodes de synthèse assistée par électrochimie de différentes familles de nanoparticules d'une taille de 10 nm, c'est-à-dire des nanoparticules à base de métaux de transition abondants et des points de carbone dopés par des hétéroatomes (N/P/S).

Production d'électrodes modifiées contenant des liquides ioniques par greffage de diazonium et différentes approches de polymérisation de surface pour atteindre les caractéristiques les plus intéressantes à l'interface électrode/électrolyte, y compris des nanostructures de liquides polyioniques.

Fabrication d'une sonde pH potentiométrique solide pour la quantification locale du pH par SECM dans des conditions électrocatalytiques in-operando.

Réacteur de flux à grande échelle pour démontrer la faisabilité de la réduction électrochimique du nitrate alimenté par un flux d'eau souterraine.

WP1. Synthèse, caractérisation et optimisation des matériaux électrocatalytiques.

La première réalisation de ce WP est d'explorer l'influence du co-réacteur (en l’absence de co-réacteur, glutamine, imidazole, acétate de 1-éthyl-3-méthylimidazolium) dans la synthèse d'une nouvelle électrode à base de points de carbone. En conséquence, une large gamme de nanocarbone (carbon dots CD) (non dopés et dopés N) d'une taille allant de dix à cent nm a été obtenue. Les CD ont ensuite été utilisés comme plateforme d'accueil et agent réducteur pour déposer des nanoparticules métalliques (nanoparticules de Pd comme preuve de concept).

WP2. Ingénierie de surface et modification du matériau électrocatalytique.

La première réalisation de ce WP a été d'explorer la modification de la surface d'une électrode de carbone vitreux par électro-greffage du phosphate de 4-aminophényle, qui est caractérisé par des hétéroatomes et des propriétés ioniques. Par la suite, cette fine couche organique a servi de plateforme pour l'électrodéposition de nanoparticules de Pd et de Co. Les matériaux hybrides obtenus ont été utilisés pour l'électrocatalyse de la réaction de dégagement de l'hydrogène (HER) et ont présenté une performance catalytique améliorée, mais ils n'ont pas été testés encore pour la réduction électrochimique du nitrate.

WP3. Surveillance du pH local par SECM pendant l'électrolyse de dénitrification.

La première réalisation de ce WP a été de fabriquer à partir de zéro une ultramicroélectrode en antimoine sensible dans une large fenêtre de pH (2,5-14) avec un diamètre typique de 7 µm, ce qui a permis de mesurer le pH local à la surface de l'électrode, mais pas dans des conditions in operando. En outre, des électrolyses initiales pour la réduction de nitrate en utilisant différentes électrodes modifiées a également été réalisée dans des cellules à compartiment unique.

Les prochaines étapes du WP1 consisteront à étendre les études d'électrodéposition à d'autres métaux de transition, tels que Cu, Sn, Co et Ni. De plus, d'autres familles de CD seront également explorées en utilisant d'autres molécules contenant des atomes de soufre et/ou d'azote (cystéine, EMITFSI, etc.). Tous ces matériaux seront partagés avec les autres partenaires du projet (ITODYS et LISE).

La perspective future du WP2 sera l'immobilisation d'une couche ionique sur des électrodes de Cu et des catalyseur à base de nanocarbone afin d'évaluer son impact sur la réduction électrochimique du nitrate. Par la suite, l'effet de la variation de l'épaisseur de la couche ionique fixée, ainsi que la nanostructuration, par la lithographie de nanosphères, seront réalisés dans le but d'augmenter la conversion du nitrate et d'évaluer la sélectivité des produits générés.

Les perspectives futures du WP3 sont basées sur la fabrication d'une deuxième génération de capteurs antimoine-pH capables d'effectuer l'évaluation du pH dans des conditions électrochimiques opérationnelles. En outre, le matériau d'électrode optimal identifié par le travail synergique des trois partenaires de ce projet sera mis en œuvre dans un réacteur à flux à grande échelle et sera testé avec d’effluents d'eaux souterraines polluées par des nitrates.

Le nitrate est l'un des dix principaux polluants de l'eau potable dépassant le niveau maximal de contamination dans le monde. Les technologies conventionnelles d'élimination des nitrates génèrent des saumures ou des boues. La dénitrification par réduction électrochimique des nitrates/nitrites (ERN) est une option plus écologique pour réduire les concentrations de nitrates et de nitrites dans l'eau potable en générant de l'azote gazeux inoffensif (N2) ou de l'ammoniac (NH3/NH4+), un produit chimique de base précieux. Cependant, il n'existe pas actuellement d'électrocatalyseur disponible présentant une activité élevée et une production sélective d'un seul produit. Le principal objectif de ce projet est donc de convertir sélectivement l'eau polluée par l'azote en eau potable ou en effluent d'irrigation riche en ammoniac pour l'agriculture. Ainsi, les trois principaux objectifs de ce projet sont : (1) avoir un impact sur l'activité et la sélectivité des électrocatalyseurs pour l'ERN en immobilisant des liquides ioniques (ILs) à la surface de l'électrode, (2) fabriquer une sonde pH de taille micro pour l'évaluation locale du pH dans la couche de diffusion de l'électrode (? 100 µm) par microscopie électrochimique à balayage (SECM) et (3) corréler les gradients de pH locaux obtenus par l'immobilisation des ILs à la surface de l'électrode avec la production sélective de N2 ou de NH3/NH4+ à partir de l'ERN.