Electrochemical urea conversion on Nickel-based anodes

Conversion électrochimique de l'urée sur des anodes à base de nickel La présence d'urée dans les effluents d'eaux usées représente un défi environnemental important, nécessitant un traitement efficace pour garantir un rejet sûr de l'eau dans l'environnement. Ce défi offre une opportunité pour l'économie circulaire car l'électrolyse de l'urée peut être utilisée pour la production d'hydrogène vert. L'oxydation électrochimique de l'urée (UOR) sur des catalyseurs à base de Ni a donné des résultats prometteurs en solution alcaline. En particulier, les nanoparticules de NiO présentent une grande stabilité dans les solutions alcalines fortes, mais très peu d'exemples de leur application à l'UOR ont été rapportés jusqu'à présent. En outre, le potentiel standard thermodynamique (Eo) est l'un des principaux critères d'évaluation de la performance de toute réaction électrocatalytique et certaines valeurs controversées ont été rapportées dans la littérature pour l'UOR. Nous avons donc inclus ici nos propres valeurs Eo calculées, en tenant compte de la production d'espèces N hautement oxydées ainsi que de gaz N2. Cette thèse se concentre sur l'étude de l'UOR sur des catalyseurs à base de Ni dans des milieux fortement alcalins (NaOH 1 M ou 5 M), et principalement sur des NPs de NiO après activation électrochimique, où une couche de NiOOH est formée. Plusieurs paramètres tels que la concentration d'urée et d'électrolyte, ainsi que le transport de masse pendant l'UOR ont été évalués en détail par l'électrode à disque tournant (RDE). Diverses techniques électrochimiques telles que la voltammétrie cyclique (CV), la chronoampérométrie (CA) et la spectroélectrochimie couplée (SEC) sont utilisées pour obtenir des informations précieuses sur la cinétique de l'électro-oxydation de l'urée sur les NP de NiO/NiOOH. Nos résultats indiquent que l'UOR est principalement limitée par la cinétique, tandis que la formation de cyanate/carbonate (-OCN / CO32-) et de nitrite (NO2-) a été détectée et suivie pendant l'UOR par la SEC. En outre, des études antérieures ont mis en évidence la désactivation significative et progressive de l'anode NiO/NiOOH pendant l'électro-oxydation de l'urée, qui est attribuée à l'adsorption d'intermédiaires ou de sous-produits de la réaction. Cette thèse se concentre donc sur l'identification de la source de désactivation de l'anode, car cela jouera un rôle important dans l’élaboration d'électrocatalyseurs plus efficaces pour l'électrolyse de l'urée à l'avenir. Des rapports récents ont montré une production significative de NH3 et ont proposé une voie de réaction alternative impliquant les espèces -OCN et NO2- pour l'UOR. Ainsi, NH3, -OCN, NO2-, ainsi que CO32- sont étudiés ici en tant que sous-produits potentiellement responsables du processus de désactivation. Par conséquent, l'impact de ces sous-produits a été étudié pour la première fois, en évaluant la stabilité de la surface des NPs NiO/NiOOH à l'aide de la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). Les résultats obtenus ont exclu la responsabilité de l'un de ces sous-produits de l'électro-oxydation de l'urée et ont mis en évidence la lente cinétique de régénération du film actif de NiOOH comme facteur limitant provoquant la désactivation du catalyseur. La dégradation de l'urée en NH3 et la formation de certains sous-produits indésirables (principalement NO2-) observées pendant l'UOR ont mis en évidence certains obstacles à la production de H2. Ainsi, nous incluons comme perspective dans ce travail une autre approche pour le traitement des eaux usées impliquant l'électro-oxydation de l'ammoniac sur NiO/NiOOH. Par conséquent, des recherches initiales ont été menées sur l'électro-oxydation de l'ammoniac en tant qu'approche alternative pour produire du H2 et le convertir en N2 et H2O. Mots-clés : Électro-oxydation de l'urée, potentiel standard thermodynamique, anode NiO/NiOOH, désactivation de l'anode, stabilité de la surface, Spectroscopie d'impédance électrochimique, Spectroélectrochimie.