Des chercheurs de Stanford ont découvert un moyen simple et écologique de fabriquer de l’ammoniac avec de minuscules gouttelettes d’eau et d’azote provenant de l’air.
L’ammoniac (NH3) est le point de départ de la production d’engrais chimiques pour les cultures agricoles. Depuis plus d’un siècle, le monde s’appuie sur le procédé Haber-Bosch pour produire de l’ammoniac en vrac, une percée qui a contribué à révolutionner l’agriculture et à nourrir une population humaine en plein essor. Mais le procédé industriel est énergivore. Pour rompre les liaisons fortes de l’azote, le procédé Haber-Bosch nécessite environ 80 à 300 atmosphères de pression et des températures autour de 572 à 1000 F (300 à 500 C). Le traitement à la vapeur du gaz naturel impliqué dans le processus libère également de grandes quantités de dioxyde de carbone qui modifie le climat.
Au total, pour satisfaire la demande mondiale annuelle actuelle de 150 millions de tonnes métriques d’ammoniac, le procédé Haber-Bosch engloutit plus de 2 % de l’énergie mondiale et représente environ 1 % du dioxyde de carbone émis dans l’atmosphère.
En revanche, la méthode innovante lancée par les chercheurs de Stanford nécessite des circonstances moins spécialisées.
« Nous avons été choqués de voir que nous pouvions générer de l’ammoniac dans des environnements de température et de pression bénins et quotidiens avec juste de l’air et de l’eau et en utilisant quelque chose d’aussi basique qu’un pulvérisateur », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Richard Zare, professeur Marguerite Blake Wilbur en sciences naturelles. Sciences et professeur de chimie à la Stanford School of Humanities and Sciences. « Si ce processus peut être étendu, il représenterait une nouvelle façon écologique de fabriquer de l’ammoniac, qui est l’un des processus chimiques les plus importants au monde. »
La nouvelle méthode utilise également peu d’énergie et à faible coût, ouvrant ainsi la voie à la production potentielle du précieux produit chimique de manière durable. Xiaowei Song, chercheur postdoctoral en chimie à Stanford, est l’auteur principal de la étudepublié le 10 avril dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
Nouvelle chimie issue d’une étude sur le ciel bleu
La nouvelle chimie découverte suit les traces des travaux pionniers du laboratoire de Zare ces dernières années examinant la réactivité longtemps négligée et étonnamment élevée des microgouttelettes d’eau. Dans une étude de 2019, Zare et ses collègues ont récemment démontré que le peroxyde d’hydrogène caustique se forme spontanément dans les microgouttelettes en contact avec les surfaces. Depuis, des expériences ont confirmé un mécanisme de saut de charge électrique entre les matériaux liquides et solides et générant des fragments moléculaires, appelés espèces réactives de l’oxygène.
Poussant ces découvertes plus loin, Song et Zare ont entamé une collaboration avec le co-auteur de l’étude Basheer Chanbasha, professeur de chimie à l’Université King Fahd du pétrole et des minéraux en Arabie saoudite. Chanbasha se spécialise dans les nanomatériaux pour les applications énergétiques, pétrochimiques et environnementales et est venu à Stanford en tant que chercheur invité l’été dernier.
L’équipe de recherche s’est concentrée sur un catalyseur – le terme désignant toute substance qui accélère la vitesse d’une réaction chimique mais n’est pas elle-même dégradée ou modifiée par la réaction – qu’ils soupçonnaient de pouvoir ouvrir une voie chimique vers l’ammoniac. Le catalyseur est constitué d’un oxyde de fer, appelé magnétite, et d’une membrane synthétique inventée dans les années 1960 et composée de chaînes répétitives de deux grosses molécules.
Les chercheurs ont appliqué le catalyseur sur un maillage en graphite que Song a incorporé dans un pulvérisateur à essence. Le pulvérisateur projetait des microgouttelettes dans lesquelles l’eau pompée (H2O) et l’azote moléculaire comprimé (N2) réagissaient ensemble en présence du catalyseur. À l’aide d’un appareil appelé spectromètre de masse, Song a analysé les caractéristiques des microgouttelettes et a vu la signature de l’ammoniac dans les données collectées.
Synthèse d’ammoniac low-tech et basse énergie
Zare et ses collègues ont été très satisfaits de ce résultat, en particulier à la lumière de l’approche relativement peu technologique. « Notre méthode ne nécessite l’application d’aucune tension électrique ou forme de rayonnement », a déclaré Zare.
D’un point de vue chimique plus large, la méthode est remarquable en ce qu’elle utilise trois phases de la matière : l’azote sous forme de gaz, l’eau sous forme liquide et le catalyseur sous forme solide. « À notre connaissance, l’idée d’utiliser simultanément du gaz, du liquide et du solide pour provoquer une transformation chimique est une première du genre et a un énorme potentiel pour faire progresser d’autres transformations chimiques », a déclaré Zare.
Bien que prometteuse, la méthode de production d’ammoniac révélée par Zare, Song et Chanbasha n’en est pour l’instant qu’au stade de la démonstration. Les chercheurs prévoient d’explorer comment concentrer l’ammoniac produit et d’évaluer comment le processus pourrait potentiellement être étendu à des niveaux commercialement viables. Alors que Haber-Bosch n’est efficace que lorsqu’il est utilisé dans d’immenses installations, la nouvelle méthode de fabrication d’ammoniac pourrait être portable et effectuée sur place ou même à la demande dans les fermes. Cela, à son tour, réduirait les émissions de gaz à effet de serre liées au transport de l’ammoniac depuis des usines éloignées.
« Avec un développement ultérieur, nous espérons que notre méthode de génération d’ammoniac pourra aider à résoudre les deux principaux problèmes imminents de continuer à nourrir la population croissante de milliards de personnes sur Terre, tout en atténuant le changement climatique », a déclaré Zare. « Nous sommes pleins d’espoir et ravis de poursuivre cette ligne de recherche. »
Zare est également membre de Stanford Bio-X, du Cardiovascular Institute, du Stanford Cancer Institute, de Stanford ChEM-H, du Stanford Woods Institute for the Environment et du Wu Tsai Neurosciences Institute.
Plus d’information:
Xiaowei Song et al, Fabrication d’ammoniac à partir de microgouttelettes d’azote et d’eau, Actes de l’Académie nationale des sciences (2023). DOI : 10.1073/pnas.2301206120