Utilisation de batteries pour produire du peroxyde d'hydrogène à partir de l'air pour des applications industrielles
"Cette méthode est très durable, peu coûteuse et très efficace sur le plan énergétique
Le peroxyde d'hydrogène (H2O2) est largement utilisé comme agent de blanchiment, désinfectant et oxydant, entre autres. Cependant, la production industrielle de H2O2 est coûteuse et consomme beaucoup d'énergie en raison des catalyseurs à base de métaux rares et précieux utilisés pour sa production. Des chercheurs de l'Indian Institute of Science (IISc) ont mis au point une stratégie alternative de production sur site de H2O2 qui peut également dégrader des polluants industriels tels que des colorants toxiques.
Schéma du fonctionnement de la batterie Zn-Air et de la dégradation du colorant
AJB lab, IISc
Les scientifiques ont utilisé une batterie zinc-air dans laquelle la réduction de l'oxygène génère du H2O2. "Le zinc est un élément abondant et historiquement utilisé... il est très bon marché et abondant en Inde", explique Aninda J. Bhattacharyya, professeur au Centre interdisciplinaire de recherche sur l'énergie (ICER) et à l'Unité de chimie structurale et de l'état solide (SSCU), et auteur correspondant de l'étude publiée dans la revue Small Methods.
Une batterie métal-air est composée d'un métal comme le zinc, qui sert d'anode (électrode négative), et de l'air ambiant, qui sert de cathode (électrode positive). Lorsque la batterie se décharge (libère de l'énergie), l'oxygène de l'air ambiant est réduit à la cathode, produisant du H2O2.
La réduction électrochimique de l'oxygène se fait de deux manières, dont l'une forme du H2O2. "La stratégie consiste à contrôler l'ampleur de la réaction de réduction de l'oxygène. Si vous ne la contrôlez pas à un certain niveau, elle se contentera de former de l'eau", explique M. Bhattacharyya.
Ce contrôle peut être réalisé à l'aide de catalyseurs spécifiques. "Nous utilisons un catalyseur sans métal à base de carbone", explique Asutosh Behera, premier auteur et doctorant à la SSCU. Ces catalyseurs peu coûteux conduisent généralement la réaction le long de la voie qui forme de l'eau, où la sélectivité vis-à-vis de H2O2 est moindre. Cependant, l'incorporation de certaines modifications chimiques dans ces catalyseurs, comme l'ajout de groupes fonctionnels d'oxygène, oriente la sélectivité de la réaction vers la production de H2O2.
Bhattacharyya explique que l'utilisation d'une batterie pour produire directement du H2O2 est une nouvelle approche. "Vous n'avez pas besoin de faire autre chose. Vous avez une batterie et vous la faites fonctionner. Nous avons réduit la tension de manière à ce qu'elle ne produise que du H2O2".
Un autre avantage des batteries est qu'elles produisent ou stockent de l'énergie électrique en plus des réactions chimiques. "Ce que nous faisons, c'est qu'en même temps que nous produisons du H2O2, nous stockons de l'énergie parce que cela se passe à l'intérieur de la cellule", ajoute M. Bhattacharyya.
Le H2O2 généré doit être détecté car il est incolore. Pour ce faire, on introduit un colorant, un polluant toxique produit par l'industrie textile. Lorsque le H2O2 est créé, il réagit avec le colorant, le dégrade et en change la couleur. "Le H2O2 généré se décompose ensuite en divers radicaux (tels que l'hydroxyde et le superoxyde) - des espèces organiques réactives très brutes - qui finissent par dégrader le colorant textile", explique M. Behera. Cette dégradation permet d'augmenter l'efficacité de la production de H2O2 et d'éliminer le colorant toxique.
"Certains défis fondamentaux doivent être relevés", note M. Bhattacharyya. Par exemple, une batterie métal-air comporte trois phases : solide (zinc), liquide (électrolyte) et gaz (air). Leur manipulation est donc plus délicate que celle de la plupart des batteries qui ne comportent que deux phases.
Malgré ces difficultés, les chercheurs pensent que cette stratégie est évolutive et qu'elle pourrait avoir d'autres applications, comme la production d'électricité dans des endroits isolés. "Cette méthode est très durable, peu coûteuse et très efficace sur le plan énergétique", explique M. Bhattacharyya.
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