Une équipe de l’Université du Hunan a publié ses résultats dans la revue Energy Fuels (DOI : ), proposant que l’ingénierie de l’état de spin des catalyseurs à base de cobalt puisse optimiser la décomposition de l’ammoniac pour la production d’hydrogène, offrant ainsi un nouveau paradigme pour la conception de catalyseurs et l’amélioration de la technologie de conversion de l’ammoniac en hydrogène. L’étude a été menée par Gong Xingchen (École de chimie et génie chimique, Université du Hunan ; domaine de recherche : décomposition de l’ammoniac pour la production d’hydrogène) et ses collaborateurs.
Concept de recherche fondamental et percée technique
La décomposition de l’ammoniac est une voie clé pour la production d’hydrogène ; la performance des catalyseurs à métaux de transition détermine directement le rendement en hydrogène, et l’ajustement de l’état de spin du métal est devenu un levier décisif pour moduler le comportement catalytique. Jusqu’à présent, cette approche n’avait pas été démontrée dans la décomposition de l’ammoniac. Ce travail est le premier à réaliser une modulation contrôlée des états de spin du cobalt pendant la décomposition de l’ammoniac.
L’équipe a synthétisé une série de catalyseurs composites Co/Li₂O–La₂O₃ par la méthode sol–gel de réduction in situ et a systématiquement étudié comment la teneur en lanthane (La) influence les états de spin du cobalt :
Les caractérisations structurales et magnétiques ont révélé qu’à mesure que la teneur en La augmente, les états de spin du cobalt peuvent être commutés de manière contrôlée de l’« état de spin élevé » à l’« état de spin faible » ;
parmi les échantillons, le catalyseur Co/Li₂O–La₂O₃-2 a présenté un unique « état de spin intermédiaire », une découverte centrale corroborée à la fois par des tests expérimentaux et des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT).
Avantages de performance du catalyseur à spin intermédiaire
L’état de spin intermédiaire de ce catalyseur fournit une correspondance optimale pour le processus de décomposition de l’ammoniac, résolvant efficacement le compromis traditionnel entre la « force d’adsorption de l’ammoniac » et l’« équilibre des barrières énergétiques de réaction » :
Force d’adsorption modérée de NH₃ : elle évite l’adsorption trop forte observée dans les états de spin élevé qui entrave la désorption des intermédiaires, ainsi que l’adsorption trop faible dans les états de spin faible qui ne permet pas de capturer efficacement les réactifs ;
Barrières énergétiques équilibrées : elle améliore simultanément l’efficacité de dissociation de H₂ et la vitesse de désorption de N₂, conduisant à une amélioration synergique des deux étapes clés et à une augmentation marquée de l’efficacité globale de conversion de l’ammoniac en hydrogène.
Valeur et portée de la recherche
Sur le plan académique, cette étude est la première à valider l'efficacité de « l'ingénierie des états de spin » pour optimiser les catalyseurs de décomposition de l'ammoniac, dépassant ainsi la dépendance conventionnelle à l'égard des ajustements compositionnels ou morphologiques et ouvrant une nouvelle voie de recherche sur la « régulation des états électroniques » en catalyse hétérogène. Sur le plan pratique, les catalyseurs à base de cobalt optimisés via l'ingénierie des états de spin devraient permettre de réduire les conditions de réaction (température, pression) et les coûts de la décomposition de l'ammoniac, offrant ainsi un soutien technique pour l'utilisation à grande échelle de l'ammoniac en tant que « vecteur d'hydrogène » dans la production décentralisée d'hydrogène et les systèmes de stockage/transport de l'hydrogène.
