La demande énergétique est à son plus haut niveau, tout comme la nécessité de se préoccuper de l’environnement. C’est pourquoi les professeurs de génie chimique Joseph Kwon et Mark Barteau ont développé une stratégie pour prédire les performances de nouveaux catalyseurs pour une production d’ammoniac plus écologique.
L’étude est publié dans le journal Catalyse appliquée B : Environnement et énergie.
« En rendant les processus industriels comme la production d’ammoniac plus durables, cette recherche contribue aux efforts plus larges de lutte contre le changement climatique, favorisant ainsi une planète plus saine pour les générations futures », a déclaré Kwon.
Changer la façon de produire l’ammoniac présente des avantages environnementaux et économiques et améliore la sécurité alimentaire. Cela peut être réalisé en réduisant les besoins énergétiques et les émissions de carbone associés à la production traditionnelle d’ammoniac.
On estime que 1 à 2 % de la consommation mondiale d’énergie et une fraction similaire des émissions de gaz à effet de serre (GES) d’origine humaine sont liées à la production d’ammoniac utilisé comme engrais.
L’ammoniac est produit par le procédé Haber-Bosch, une technologie vieille de plusieurs siècles qui utilise l’azote atmosphérique et l’hydrogène pour produire de l’ammoniac. L’hydrogène est généralement généré à partir du méthane via un procédé qui génère une empreinte carbone importante.
Selon Kwon et Barteau, leurs recherches portent sur une alternative plus écologique au procédé Haber-Bosch. Ils développent des électrocatalyseurs pour la réaction de réduction électrochimique de l’azote, appelée NRR, qui utilise les atomes d’hydrogène de l’eau.
« L’objectif est de comprendre et d’améliorer l’interaction de l’azote et de l’hydrogène à la surface du catalyseur pour produire efficacement de l’ammoniac à des températures et des pressions plus basses », a déclaré Kwon. « Pour que ces catalyseurs fonctionnent comme nous l’espérons, nous analysons informatiquement divers matériaux et leurs propriétés pour prédire lesquels fonctionneront le mieux dans des conditions NRR. »
L’équipe de Kwon et Barteau a combiné les méthodes de calcul de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et des simulations cinétiques de Monte Carlo (kMC) pour prédire l’efficacité et la stabilité des catalyseurs dans des conditions de réaction électrochimique.
La théorie de la fonctionnelle de la densité est une méthode de modélisation qui utilise la physique, la chimie et la science des matériaux pour étudier la structure électronique des atomes et des molécules. Cette méthode permet à Kwon de prédire comment différents matériaux interagiront avec les molécules d’azote et d’hydrogène.
« Les outils de calcul comme la DFT et la kMC ont révolutionné la conception des catalyseurs au 21e siècle », a déclaré Barteau, l’un des premiers praticiens à appliquer la DFT aux catalyseurs hétérogènes. « Ce qui est particulièrement puissant dans la combinaison de ces outils, c’est la capacité à prédire les performances dynamiques des matériaux actifs dans différentes conditions et au fil du temps. »
Les simulations cinétiques de Monte Carlo utilisent des estimations de probabilité pour prédire les résultats possibles d’un événement incertain. Cela aidera les chercheurs à comprendre comment les réactions évoluent à différentes températures et pressions, fournissant ainsi des informations sur l’évolutivité et la durée de vie des catalyseurs potentiels.
« Nous souhaitons explorer de nouveaux matériaux électrocatalyseurs », a déclaré Kwon. « Cependant, l’utilisation de chaque méthode indépendamment peut limiter la portée des propriétés des matériaux et des processus de réaction. Cette approche nous permet d’optimiser systématiquement les catalyseurs avant même qu’ils ne soient testés en laboratoire, ce qui simplifie le processus de développement et ouvre la voie à des méthodes de production d’engrais plus durables. »
Kwon espère également que cette recherche pourra conduire à des avancées dans la conception des catalyseurs et à une meilleure compréhension de leur fonction au niveau moléculaire.
Plusieurs domaines clés sur lesquels la recherche se concentre sont la réduction de l’impact environnemental, l’avancement de la chimie verte, la promotion de la sécurité énergétique et la catalyse de l’innovation technologique.
« Cette approche intégrée accélère non seulement la découverte de catalyseurs viables, mais fournit également une compréhension globale de leur comportement dans des conditions réelles, ouvrant la voie à une validation expérimentale et à une éventuelle application industrielle », a déclaré Kwon.
Plus d’informations :
Chi Ho Lee et al., Exploration de la dynamique dans la recherche sur les catalyseurs à atome unique : une étude DFT-kMC complète de la réaction de réduction de l’azote en mettant l’accent sur l’agrégation de TM, Catalyse appliquée B : Environnement et énergie (2024). DOI: 10.1016/j.apcatb.2024.124434