Des chercheurs dirigés par Satoshi Kamiguchi du Centre RIKEN pour la science des ressources durables (CSRS) au Japon ont découvert une manière plus écologique de produire de l’ammoniac, un composé essentiel utilisé dans les engrais.
L’étude, publié dans Science chimique, décrit un nouveau catalyseur qui fonctionne de manière stable à des températures relativement basses, réduisant ainsi la quantité d’énergie et d’argent nécessaire pour synthétiser l’ammoniac. Parce que l’ammoniac est un excellent moyen de stocker l’hydrogène en toute sécurité, ainsi qu’un excellent carburant alternatif à part entière, cette découverte facilitera la transition des combustibles fossiles vers une économie neutre en carbone et basée sur les énergies vertes.
Les engrais sont un moyen de fournir un supplément d’azote aux plantes, ce qui les aide à croître et augmente les rendements des cultures. L’azote contenu dans les engrais provient de l’ammoniac, qui est produit en dissociant les molécules d’hydrogène (H2) et d’azote (N2) et en réunissant les éléments individuels en ammoniac gazeux (NH3) via le procédé Haber-Bosch. La réaction nécessite une pression et des températures extrêmement élevées ainsi qu’un catalyseur au fer.
La pression et les températures extrêmement élevées (environ 200 atm et 500°C (932°F)) nécessaires à la réaction nécessitent une grande quantité d’énergie. L’ammoniac étant très largement utilisé dans les engrais et dans d’autres industries, la production mondiale consomme donc une énorme quantité d’énergie. Pour aider à réduire l’empreinte énergétique de l’ammoniac, les chercheurs du RIKEN CSRS ont développé une réaction plus écologique et plus respectueuse de l’énergie qui peut se dérouler de manière stable à des températures beaucoup plus basses sans être désactivée.
Le plus grand obstacle était la décomposition de l’azote gazeux, car il existe une triple liaison forte entre les deux atomes d’azote au sein d’une molécule d’azote gazeux. « L’astuce consistait à utiliser des particules métalliques de molybdène ultra petites préparées à partir d’un amas d’halogénures métalliques moléculaires hexanucléaires, qui étaient ensuite activées avec de l’hydrogène gazeux », explique Kamiguchi.
Une fois activés, plusieurs atomes de molybdène travaillent ensemble pour rompre les fortes liaisons azote-azote et stimuler rapidement la synthèse d’ammoniac. Lorsqu’elle a été testée, cette nouvelle méthode a pu créer de l’ammoniac à partir de gaz d’azote et d’hydrogène en continu pendant plus de 500 heures à 200°C (392°F), réduisant ainsi considérablement la température requise lors de l’utilisation du procédé Haber-Bosch conventionnel.
En plus d’avoir un impact sur l’industrie des engrais, la nouvelle façon de produire de l’ammoniac pourrait indirectement contribuer à réduire les émissions de carbone si l’ammoniac était utilisé dans le monde entier. Le carburant ammoniac peut être brûlé directement dans les moteurs à combustion interne sans émettre de CO2, mais n’est pas devenu une alternative pratique en raison du procédé Haber-Bosch à haute énergie.
L’un des avantages de la nouvelle méthode est qu’elle permettrait une production d’ammoniac à moindre consommation d’énergie, ce qui réduirait considérablement les émissions de carbone si l’ammoniac était utilisé à grande échelle.
En même temps que l’ammoniac stocke de l’azote pour les engrais, il stocke également de l’hydrogène. Cela en fait un vecteur idéal pour l’hydrogène, que certains considèrent comme la source d’énergie idéale. Lorsque l’hydrogène stocké est nécessaire, il peut être libéré de l’ammoniac et utilisé comme carburant sans émettre de dioxyde de carbone.
« Le remplacement du procédé Haber-Bosch par notre nouvelle méthode devrait entraîner des économies d’énergie à l’échelle mondiale », déclare Kamiguchi. « Si l’ammoniac et l’hydrogène sont utilisés en quantités beaucoup plus importantes, une réduction considérable de l’énergie nécessaire à la synthèse de l’ammoniac entraînera une diminution des émissions de CO2 et contribuera à prévenir un réchauffement climatique accru. »
Un problème demeure. L’hydrogène nécessaire à la fabrication de l’ammoniac est lui-même toujours produit à partir de combustibles fossiles et, en grandes quantités nécessaires, cela entraînerait également d’énormes émissions de CO2 et une consommation d’énergie considérable. Kamiguchi note donc : « Lorsque notre système de catalyseur est combiné à la production de H2 vert à partir d’énergies renouvelables, les émissions de CO2, responsable du réchauffement climatique, pourraient être encore réduites. »
Actuellement, l’équipe de recherche se concentre sur l’ajout de promoteurs au catalyseur à base de molybdène qui rendront la synthèse de l’ammoniac plus efficace.
Plus d’information:
Satoshi Kamiguchi et al, Synthèse catalytique d’ammoniac sur un amas de molybdène de taille angstrom supporté par une zéolite HY, Science chimique (2024). DOI : 10.1039/D3SC05447K