Une équipe de recherche de l’Université de Floride centrale avec des collaborateurs de Virginia Tech a publié des découvertes critiques sur la synthèse électrochimique de l’ammoniac, faisant progresser la recherche sur les engrais durables et contribuant ainsi aux efforts mondiaux en matière de sécurité alimentaire.
L’ammoniac, composé d’azote et d’hydrogène, est un ingrédient essentiel de nombreux engrais destinés à la production alimentaire. Cependant, sa principale méthode de production, la méthode Haber-Bosch, est gourmande en énergie et en carburant, consommant 3 à 5 % de la production mondiale de gaz naturel et représentant plus de 1 % des émissions mondiales de carbone.
En utilisant le métal ruthénium comme catalyseur, les chercheurs ont identifié le moyen le plus efficace de produire de l’ammoniac grâce à une méthode de production plus durable : l’électrochimie. Selon les chercheurs, cette méthode de production peut être plus durable lorsque l’électricité provenant de sources renouvelables, telles que l’énergie solaire ou éolienne, est utilisée pour alimenter la synthèse électrochimique.
Les résultats ont été publiés récemment dans Lettres énergétiques ACS.
Bien qu’il existe de nombreux efforts de recherche sur la production électrochimique d’ammoniac, les mécanismes sous-jacents doivent encore être mieux compris, selon les chercheurs. Cependant, cette nouvelle recherche aide à fournir une image plus claire du mécanisme de réaction, déclare le co-auteur de l’étude Xiaofeng Feng, professeur au Département de physique de l’UCF.
« Les résultats de ce travail approfondi peuvent fournir des conseils importants aux chercheurs sur la manière de concevoir des catalyseurs plus efficaces pour une production durable d’ammoniac », a déclaré Feng.
Comment ils ont fait le travail
La force de liaison optimale du ruthénium avec les intermédiaires de réaction en fait l’un des catalyseurs les plus actifs pour la réaction de réduction de l’azote, qui produit de l’ammoniac en combinant l’azote avec l’hydrogène des molécules d’eau.
En utilisant le dépôt de couche atomique, les chercheurs ont pu maintenir un contrôle précis des nanomatériaux synthétisés à l’échelle atomique, permettant de tester des nanoparticules de ruthénium allant de deux à huit nanomètres.
Les chercheurs ont découvert que lors de la superposition d’atomes de ruthénium dans une structure catalytique, un arrangement spécial d’atomes de surface de ruthénium, appelé site d’étape D5, était le site le plus actif pour la réaction de réduction électrochimique de l’azote.
Contrairement à d’autres sites, le site de l’étape D5 possède « l’équilibre parfait », favorisant la formation de l’intermédiaire *N2H et ne pas être empoisonné (rendu incapable de permettre aux nouvelles molécules de s’adsorber et de réagir) par l’intermédiaire *NH2, selon les chercheurs.
Les nanoparticules de ruthénium d’une taille d’environ quatre nanomètres se sont ainsi révélées avoir les meilleures performances catalytiques pour la réaction de réduction de l’azote. L’activité a culminé à quatre nanomètres, puis a chuté de cinq fois lorsque la taille des particules a doublé, démontrant l’effet critique de la taille des particules de ruthénium sur la catalyse.
Les travaux antérieurs des chercheurs visant à améliorer l’efficacité de la production électrochimique d’ammoniac ont aidé l’étude actuelle en fournissant la compréhension mécaniste et la méthodologie de recherche.
Recherche collaborative
La nouvelle recherche est une collaboration entre trois équipes de recherche.
Feng et ses étudiants ont caractérisé les échantillons de ruthénium et les ont étudiés en tant que catalyseurs pour la production électrochimique d’ammoniac. Le co-auteur de l’étude Parag Banerjee, professeur au Département de science et d’ingénierie des matériaux de l’UCF, et ses étudiants se sont concentrés sur la synthèse précise de nanoparticules de ruthénium métallique dans le laboratoire de Banerjee.
De plus, Hongliang Xin, professeur à Virginia Tech, et son étudiant ont effectué des études informatiques pour modéliser et identifier la structure atomique responsable des performances catalytiques les plus élevées.
Les chercheurs prévoient de collaborer davantage pour développer des matériaux plus complexes et plus efficaces en utilisant le dépôt de couches atomiques pour une production durable d’ammoniac, a déclaré Feng. Ils mettront également en œuvre les matériaux catalyseurs dans des dispositifs d’électrolyseurs avancés pour améliorer le taux de rendement et l’efficacité de la production d’ammoniac à l’électricité.
Plus d’information:
Lin Hu et al, Identification des sites actifs pour l’électrosynthèse d’ammoniac sur le ruthénium, Lettres énergétiques ACS (2022). DOI : 10.1021/acsenergylett.2c02175