Un catalyseur durable et peu coûteux réduit l'empreinte carbone de la production d'ammoniac

Le procédé Haber-Bosch, qui est couramment utilisé pour synthétiser l'ammoniac (NH3) - la base des engrais azotés synthétiques - en combinant l'hydrogène (_H2) et l'azote (N2) sur des catalyseurs à des pressions et des températures élevées, est l'une des découvertes scientifiques les plus importantes qui a contribué à améliorer le rendement des cultures et à augmenter la production alimentaire dans le monde.

Toutefois, ce processus nécessite un apport élevé en énergie fossile en raison des températures et des pressions élevées qu'il requiert. L'hydrogène utilisé pour ce processus est produit à partir du gaz naturel (principalement du méthane). Ce processus de production d'hydrogène consomme de l'énergie et s'accompagne d'importantes émissions de dioxyde de carbone. Pour surmonter ces problèmes, divers catalyseurs ont été mis au point pour permettre à la réaction de se dérouler dans des conditions plus douces en utilisant de l'hydrogène produit par électrolyse de l'eau via des énergies renouvelables. Parmi eux, on trouve les catalyseurs à base de nitrure qui contiennent des nanoparticules métalliques actives comme le nickel et le cobalt (Ni, Co) chargées sur des supports en nitrure de lanthane (LaN). Dans ces catalyseurs, le support et le métal actif sont tous deux impliqués dans la production de NH3. Le métal actif scinde le_H2 tandis que le support LaN contient des lacunes d'azote et des atomes d'azote dans sa structure cristalline qui adsorbent et activent l'azote (N2). Si ces catalyseurs sont peu coûteux (puisqu'ils évitent l'utilisation du ruthénium, qui est onéreux), leurs performances catalytiques se dégradent en présence d'humidité, le support LaN se transformant en hydroxyde de lanthane (La(OH₎₃).

Aujourd'hui, dans une nouvelle étude publiée dans Angewandte Chemie, des chercheurs chinois et japonais, dirigés par le professeur Hideo Hosono du Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), au Japon, ont mis au point un catalyseur chimiquement stable en présence d'humidité. S'inspirant des composés stables des terres rares contenant des liaisons chimiques entre un métal des terres rares (dans ce cas, La) et un métal, ils ont incorporé des atomes d'aluminium dans la structure LaN et ont synthétisé un support La3AlN chimiquement stable contenant des liaisons La-Al qui empêchent les atomes de lanthane de réagir avec l'humidité.

Le support La-Al-N avec les métaux actifs, tels que le nickel et le cobalt (Ni, Co), a pu produire du NH3 à des taux similaires à ceux des catalyseurs classiques à base de nitrure métallique et a pu maintenir une production stable lorsqu'il était alimenté par de l'azote gazeux contenant de l'humidité. "Les catalyseurs La-Al-N chargés de Ni ou de Co n'ont montré aucune dégradation distincte après une exposition à 3,5 % d'humidité", explique le professeur Hosono.

Alors que les atomes d'Al ont stabilisé le support, l'azote du réseau et les défauts de l'azote présents dans le support dopé ont permis la synthèse de l'ammoniac d'une manière similaire aux catalyseurs classiques à base de nitrure de métal actif/métal rare. "L'azote du réseau ainsi que la vacuité de l'azote dans La-Al-N jouent un rôle clé dans l'adsorption de N2, le support La-Al-N et le métal actif Ni étant responsables de l'absorption et de l'activation de N2 et_H2, respectivement", explique le professeur Hosono.

Le procédé Haber-Bosch est une réaction chimique à forte intensité énergétique, qui représente environ 1 % des émissions annuelles mondiales de dioxyde de carbone. Alors que d'autres approches respectueuses de l'environnement pour la production de NH3 sont à l'étude, l'introduction de catalyseurs peu coûteux pourrait apporter des avantages immédiats en permettant au procédé de fonctionner dans des conditions plus douces.