Une méthode de production d'engrais azotés plus respectueuse du climat
L'ammoniac peut être produit à partir d'eau et d'azote gazeux en utilisant de l'électricité d'origine solaire ou éolienne
L'humanité a un appétit insatiable pour l'Ammoniac : cette substance est utilisée pour fabriquer des engrais, qui à leur tour sont utilisés dans la plupart des agricultures modernes. Jusqu'à présent, le procédé Haber-Bosch était la méthode de choix pour extraire l'azote de l'atmosphère, apparemment inépuisable, et le fixer sous forme d'ammoniac. Toutefois, cette méthode nécessite une quantité extrêmement importante de méthane et d'énergie. Le professeur Nikolay Kornienko, de l'université de Bonn, a découvert une alternative plus respectueuse du climat pour produire de l'ammoniac à partir de sources d'énergie renouvelables. L'équipe de recherche présente aujourd'hui ses résultats dans la revue Nature Communications.
Comme dans le jardin d'Eden : Les céréales, les betteraves et les pommes de terre doivent germer le plus luxueusement possible pour que les assiettes soient bien remplies. Pour ce faire, il faut une fertilisation régulière, en particulier avec de l'azote. Une source de nutriments qui semble ne jamais se tarir. Au début du XXe siècle, Fritz Haber et Carl Bosch ont mis au point un procédé permettant d'extraire l'azote de l'air qui semble inépuisable. Cette réalisation leur a valu le prix Nobel de chimie en 1918.
À l'aide d'un catalyseur à base de fer, d'une pression très élevée et d'une température pouvant atteindre 500 degrés Celsius, le procédé Haber-Bosch lie l'azote de l'air à l'hydrogène, produisant ainsi de l'ammoniac. Soit dit en passant, certaines plantes maîtrisent également l'art de lier l'azote atmosphérique à de minuscules bactéries dans leurs racines et de le rendre disponible pour leur croissance. Cependant, les plantes vertes le font de manière neutre pour le climat, ce que l'homme n'a pas encore réussi à faire.
"Le processus Haber-Bosch est extrêmement gourmand en énergie", explique le professeur Nikolay Kornienko de l'Institut de chimie inorganique de l'université de Bonn. La production d'ammoniac repose principalement sur les combustibles fossiles, ce qui signifie que les émissions de gaz à effet de serre sont élevées. "Pour atteindre l'objectif d'une société durable et climatiquement neutre, la recherche de procédés alternatifs de synthèse de l'ammoniac est une priorité", explique M. Kornienko, qui est également membre du domaine de recherche transdisciplinaire "Matter" à l'université de Bonn.
L'engrais azoté grâce au soleil et au vent
Des méthodes alternatives ? Elles sont expérimentées depuis un certain temps. L'objectif est de remplacer la synthèse de l'ammoniac de Haber-Bosch par un processus utilisant des énergies renouvelables telles que le soleil et le vent. L'hydrogène nécessaire ne proviendrait alors plus du méthane, mais serait obtenu directement par la division électrique de l'eau (H2O) en hydrogène (H2) et en oxygène (O2). Cela semble simple ? Ce n'est pas le cas. Quiconque souhaite produire de l'ammoniac à grande échelle à l'aide de l'énergie éolienne et solaire doit surmonter un certain nombre d'obstacles dans les voies de réaction chimique.
"La réaction de réduction de l'azote médiée par le lithium (LiNRR) est considérée comme le moyen le plus robuste d'électrifier la synthèse de l'ammoniac", explique Hossein Bemana, auteur principal de l'étude. Dans ce système, les ions lithium (Li+) sont réduits électrochimiquement en une couche de lithium métal. Ce lithium métal peut ensuite réagir avec de l'azote gazeux (N2) pour former un composé lithium-azote. Si une source d'hydrogène est disponible, le composé lithium-azote est converti en ammoniac (NH3) et en ions lithium dissous. Le processus recommence ensuite. C'est du moins la théorie.
"Nous considérons généralement ce système comme un modèle pour le moment, car il présente plusieurs difficultés pratiques", explique M. Kornienko. Comme une tension élevée est nécessaire pour réduire les ions lithium en lithium métallique, l'efficacité énergétique est limitée à environ 25 %. En outre, le système doit fonctionner dans un environnement exempt d'air et d'eau, car le lithium métal est très réactif. Un autre défi réside dans le fait que, comme dans les batteries, un interphase poreux d'électrolyte solide (SEI) se développe sur la couche de lithium. Cette couche doit permettre le passage de l'azote gazeux et de l'hydrogène en tant que réactifs du lithium.
La mauvaise chose est sacrifiée
Idéalement, l'hydrogène proviendrait directement de la scission de l'eau. Cependant, dans ce système, les alcools sont généralement utilisés comme source d'hydrogène. Dans certains cas, le solvant se décompose et sert lui-même de source d'hydrogène. "Cela rend le système peu pratique, car plusieurs molécules d'alcool ou de solvant doivent être sacrifiées pour produire de l'ammonium", explique le chimiste.
Les chercheurs ont toutefois trouvé un moyen d'extraire l'hydrogène directement du fractionnement de l'eau et de le transférer à l'azote. Ils ont utilisé une feuille de palladium (Pd) comme électrode et comme membrane. "Le palladium peut servir de membrane parce qu'il permet aux atomes d'hydrogène de passer à travers", rapporte Kornienko. Lors de l'expérience, la feuille de Pd a séparé un environnement réactionnel anhydre, dans lequel les réactions LiNRR ont lieu, d'un environnement réactionnel à base d'eau. "En fin de compte, nous avons pu extraire des atomes d'hydrogène directement de l'eau par voie électrochimique et les transférer au matériau réactif lithium/lithium-azote pour produire de l'ammoniac", explique le chimiste.
Les chercheurs ont eu recours à la spectroscopie infrarouge et à la spectrométrie de masse pour vérifier que ce procédé fonctionne réellement comme prévu. Ils ont utilisé un isotope lourd de l'hydrogène (deutérium = D) comme source d'eau et ont produit du ND3 au lieu du NH3. Inversement, les chercheurs ont marqué toutes les molécules du compartiment LiNRR avec D au lieu de H - comme souhaité, NH3 a été produit dans ce cas et non ND3 comme auparavant.
Les chercheurs déposent une demande de brevet
Hossein Bemana et Nikolay Kornienko ont déjà déposé une demande de brevet pour ce procédé. L'équipe de recherche n'a utilisé que de l'électricité pour ses expériences de production d'ammoniac (NH3). Cependant, il reste encore un long chemin à parcourir avant que l'engrais azoté souhaité puisse être produit de manière économique à partir de sources d'énergie renouvelables. Pour y parvenir, les scientifiques devraient obtenir un rendement 1 000 fois supérieur à celui de leurs expériences actuelles. "Nous n'en sommes qu'aux premiers stades", déclare le chimiste. "D'une manière générale, des recherches doivent être menées sur les taux de réaction et la sélectivité du système, c'est-à-dire sur le contrôle des électrons vers la cible souhaitée.
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