La réaction Haber-Bosch aide à nourrir le monde en convertissant l’azote en ammoniac, un précurseur d’engrais. Pourtant, son empreinte carbone est colossale : cette seule réaction est à l’origine de près de 2 % des émissions mondiales de carbone. Or, dans une étude récemment publiée dans Lettres énergétiques ACSdes chercheurs de l’Université d’Osaka ont aidé à repenser cette réaction pour améliorer la durabilité de l’industrie chimique.
Le remplacement de la réaction Haber-Bosch par une alternative plus durable est un domaine de recherche actif depuis de nombreuses années. Ces efforts ont conduit à une réaction électrochimique mondialement bien établie pour la synthèse d’ammoniac. Cependant, les efforts d’optimisation de cette réaction sont entravés par une compréhension insuffisante de son déroulement. Un consensus général est la nécessité de minimiser autant que possible la concentration en eau dans la réaction. Revisiter ce consensus – dans le but de fournir des détails sur les réactions chimiques qui seront utiles pour optimiser la production d’ammoniac – est le problème que les chercheurs ont cherché à résoudre.
« Il existe différentes manières créatives d’améliorer l’efficacité faradique en augmentant la pression partielle ou la solubilité de l’azote », explique Yu Katayama. « Nous avons complété ces études en montrant que des traces d’eau peuvent faciliter la progression de la réaction. »
Les chercheurs rapportent une concentration d’eau trace (environ 36 millimolaires) et une concentration de perchlorate de lithium (0,8 molaire) qui se traduit par une efficacité faradique d’environ. 28% à pression atmosphérique. Cette sélectivité est la plus élevée rapportée à ce jour à pression ambiante, sans utiliser d’électrode à diffusion gazeuse.
« Les expériences de spectroscopie photoélectronique à rayons X indiquent que la sélectivité est attribuable en partie aux traces d’eau facilitant l’incorporation d’oxyde de lithium dans l’interphase d’électrolyte solide », explique Katayama. « Des concentrations d’eau plus élevées pourraient faciliter l’évolution de l’hydrogène, une réaction secondaire indésirable. Ce résultat surprenant ne peut être trouvé qu’avec l’aide et la discussion avec des chercheurs d’ICL. Je pense que le résultat souligne l’importance de la collaboration en matière de recherche. »
Ce travail a réussi à améliorer l’efficacité faradique de la réduction de l’azote en ammoniac à pression ambiante par des moyens simples et à découvrir la chimie qui conduit à ce résultat. Le réglage fin des paramètres du processus chimique a considérablement amélioré le résultat de cette réaction. Ainsi, il existe de nombreux systèmes électrochimiques précédemment actualisés qui pourraient valoir la peine d’être réexaminés pour de futurs efforts de recherche qui étudient leurs mécanismes détaillés. Les chercheurs sont désormais plus proches de l’optimisation de la synthèse des précurseurs d’engrais dans l’industrie et de la minimisation de l’empreinte carbone de sa production.
Plus d’information:
Matthew Spry et al, L’eau augmente la sélectivité faradique de la réduction de l’azote à médiation Li, Lettres énergétiques ACS (2023). DOI : 10.1021/acsenergylett.2c02792