Une nouvelle façon de produire de l'ammoniac plus efficacement
En augmentant la production d'ammoniac, le prix de l'électricité produite à partir d'hydrogène pourrait baisser
L'Ammoniac est utilisé dans les engrais et dans de nombreux processus industriels. Il est également considéré comme un moyen prometteur de stocker et de transporter l'énergie, car il est plus sûr et plus facile de manipuler l'ammoniac que l'hydrogène. En utilisant le plasma, le quatrième état de la matière, les scientifiques ont créé un matériau qui stimule la production d'ammoniac.
"Si l'on a besoin d'hydrogène industriel ailleurs que là où il est produit, il sera plus facile et plus sûr de transporter l'hydrogène sous forme d'ammoniac et de le stocker jusqu'à ce qu'on en ait besoin. L'idéal serait alors de décomposer l'ammoniac là où l'hydrogène est nécessaire, à la demande", a déclaré Emily Carter, conseillère stratégique principale et directrice de laboratoire associée à la direction des sciences des matériaux appliqués et de la durabilité (AMSS) du département de l'énergie des États-Unis (DOE), à Princeton (États-Unis).
(DOE), le laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL). "Il faut donc des méthodes pour synthétiser et décomposer l'ammoniac à partir de l'hydrogène et le transformer en hydrogène de manière efficace et peu coûteuse, et nous travaillons sur ces deux aspects au PPPL, dans la division des sciences de l'électromanufacture de l'AMSS.
La recherche a été menée par une équipe pluridisciplinaire de diverses institutions, notamment le PPPL et l'Oak Ridge National Laboratory du DOE, l'université de Princeton, l'université Rutgers et l'université Rowan. Un article scientifique sur ces travaux a récemment été publié dans ACS Energy Letters.
"La méthode actuelle de fabrication de l'ammoniac est coûteuse", a déclaré Zhiyuan Zhang, candidat au doctorat à l'université Rutgers-Newark et auteur principal de la recherche. "Il faut une grande usine pour fabriquer l'ammoniac à l'aide de procédés qui requièrent des températures et des pressions extrêmes.
Stocker et transporter l'hydrogène sous forme d'ammoniac
L'ammoniac peut être utilisé comme vecteur d'hydrogène, c'est-à-dire qu'il peut stocker et transporter le produit chimique avant qu'il ne soit converti en hydrogène pour produire de l'énergie. L'hydrogène nécessite de grandes usines de fabrication et des installations de stockage. Cette nouvelle méthode pourrait permettre de créer de l'ammoniac dans des installations beaucoup plus petites, situées plus près de l'endroit où l'on en a besoin, voire sur place. Si l'ammoniac doit être transporté sur de longues distances, cela reviendrait également moins cher.
"L'hydrogène a une très faible densité énergétique et il est extrêmement difficile de le déplacer. L'ammoniac a une densité énergétique plus élevée - deux fois supérieure à celle de l'hydrogène comprimé - et peut être transporté sur de longues distances plus facilement que l'hydrogène", a déclaré Yiguang Ju, chercheur principal, physicien principal chargé de la gestion de la recherche, responsable de la science de l'électrofabrication au PPPL et professeur à l'université de Princeton. "Cela pourrait transformer le stockage de l'énergie et les transports.
PPPL : un leader dans les simulations de plasma à basse température
Mark Martirez, conseiller adjoint pour la science de la durabilité à l'AMSS et physicien de recherche, est en train de créer des simulations de certaines des expériences décrites dans le nouvel article afin que l'équipe puisse comprendre pleinement ce qui se passe pendant la réaction chimique au niveau atomique. "Les simulations sont essentielles pour bien comprendre le mécanisme que subit l'espèce chimique pour produire de l'ammoniac à partir de l'eau et de l'azote", explique M. Martirez. "Ils ne pouvaient que deviner la position des différents atomes en se basant sur une image de l'expérience. M. Martirez apporte une compréhension rare de la chimie quantique impliquée dans le processus, qui est généralement connu sous le nom de catalyse par plasma et constitue un domaine relativement nouveau.
Au lieu d'utiliser la chaleur et la pression élevées requises pour la catalyse thermique - l'ancienne méthode pour fabriquer de l'ammoniac à partir d'hydrogène et d'azote - la nouvelle méthode utilise l'électricité, l'eau, l'azote et le plasma à basse température. Dans le plasma à basse température, les molécules non chargées sont relativement froides ou à température ambiante. En revanche, les électrons sont très chauds. Les électrons ont suffisamment d'énergie pour modifier la surface des catalyseurs, en éliminant certains atomes et en implantant des atomes d'azote ou d'hydrogène dans leurs couches extérieures.
Un catalyseur est un ingrédient qui accélère les réactions chimiques sans les modifier. Le catalyseur utilisé dans les expériences a une structure unique qui permet des transformations chimiques plus efficaces sur le plan énergétique. Les scientifiques appellent cette structure une complexion interfaciale hétérogène (HIC).
"Les catalyseurs, l'oxyde de tungstène et l'oxynitrure de tungstène, ne sont pas nouveaux. Ce qui est nouveau, c'est la structure et la méthode utilisant le plasma pour la fabriquer de manière contrôlable et évolutive", a déclaré Huixin He, professeur à l'université Rutgers et l'un des principaux investigateurs de la recherche.
La structure du catalyseur est la clé de son efficacité
La conception particulière du HIC permet de créer des atomes d'hydrogène très actifs là où ils sont nécessaires pour former de minuscules vides, connus sous le nom de lacunes d'azote, qui s'adaptent parfaitement à une molécule d'azote. Ces caractéristiques fonctionnent ensemble : Les atomes d'hydrogène transforment l'azote en ammoniac et les espaces vides attirent davantage d'azote de l'air pour poursuivre le processus. Cette méthode permet d'augmenter considérablement la quantité d'ammoniac produite par rapport aux méthodes plus anciennes. Elle minimise également les réactions secondaires indésirables, comme la création d'hydrogène au lieu d'ammoniac.
"Le processus de production de ce catalyseur a été ramené d'environ deux jours à 15 minutes", a déclaré M. Zhang. Le processus a également été plus performant que d'autres méthodes similaires en termes de quantité d'ammoniac générée. Les chercheurs continueront à étudier les moyens d'améliorer la production d'ammoniac avec le catalyseur HIC.
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Publication originale
Zhiyuan Zhang, Christopher Kondratowicz, Jacob Smith, Pavel Kucheryavy, Junjie Ouyang, Yijie Xu, Elizabeth Desmet, Sophia Kurdziel, Eddie Tang, Micheal Adeleke, Aditya Dilip Lele, John Mark Martirez, Miaofang Chi, Yiguang Ju, Huixin He; "Plasma-Assisted Surface Nitridation of Proton Intercalatable WO3 for Efficient Electrocatalytic Ammonia Synthesis"; ACS Energy Letters, Volume 10, 2025-6-22
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