Un pas en avant pour la production d'ammoniac à énergie solaire

Sans cette technologie chimique, nourrir la population mondiale telle que nous la connaissons serait pratiquement impossible. Le procédé Haber-Bosch, mis au point il y a plus d’un siècle, transforme l’azote de l’air en ammoniac, l’ingrédient clé de la plupart des engrais synthétiques. Aujourd’hui, environ la moitié de la production alimentaire mondiale dépend d’engrais dérivés de l’ammoniac, ce qui fait du procédé Haber-Bosch l’une des innovations industrielles les plus importantes de l’histoire de l’humanité.

Malgré ses énormes avantages, le procédé Haber-Bosch a un coût environnemental significatif. L'énergie nécessaire à la production d'ammoniac représente environ 1,2 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, ce qui motive les chercheurs du monde entier à rechercher des méthodes de production plus propres et plus durables. En utilisant des structures métallo-organiques (MOF) comme catalyseurs, les scientifiques ont mis au point une voie alternative et durable pour la synthèse de l'ammoniac. Des chercheurs de l'Université technique de Vienne (TU Wien) ont désormais démontré que les structures MOF peuvent être spécifiquement ajustées pour moduler leurs performances catalytiques, fournissant ainsi des informations précieuses pour la conception de technologies de production d'ammoniac plus efficaces et durables.

Ce projet de recherche a été mené en collaboration avec des équipes internationales : des données de mesure importantes ont été fournies par Virginia Tech aux États-Unis, tandis que les simulations informatiques ont été réalisées au Technion – Institut israélien de technologie.

L'une des liaisons les plus fortes en chimie

« Nous devons rompre l’une des liaisons les plus fortes en chimie », explique Jana Bischoff, de l’Institut de chimie des matériaux de l’Université technique de Vienne, première auteure de l’étude actuelle. Dans l’air, l’azote se présente sous forme de molécules de N₂, où deux atomes d’azote sont reliés par une triple liaison extrêmement stable. Pour produire de l’ammoniac (NH₃), cette molécule de N₂ doit d’abord être activée, ce qui permet aux atomes d’azote de réagir avec l’hydrogène.

Dans le procédé Haber-Bosch, utilisé depuis plus de 100 ans, cela est réalisé à des pressions supérieures à 150 bars et à des températures d’au moins 400 °C. Ces conditions extrêmes rendent le procédé très gourmand en énergie.

La nature procède plus en douceur

En principe, les molécules d’azote peuvent être transformées d’une autre manière — non pas par des pressions et des températures extrêmes, mais à l’aide de catalyseurs soigneusement conçus. La nature est une source d’inspiration : certaines bactéries utilisent l’enzyme nitrogénase, qui contient du fer et peut fixer des molécules d’azote et les transformer dans des conditions modérées.

On peut obtenir un résultat similaire avec des structures métallo-organiques, ou MOF. Il s’agit de matériaux poreux dans lesquels des ions métalliques sont liés à des composés organiques spécifiques pour former une structure plus grande. « Comme dans la nitrogenase naturelle, nous utilisons également du fer dans nos structures métallo-organiques – un métal relativement peu coûteux et facilement disponible », explique le Dr Cornelia Baeckmann de l’Université technique de Vienne. « La question clé de nos recherches était la suivante : comment adapter les ligands organiques pour que le matériau soit capable de produire de l’ammoniac ? »

« Lorsque la lumière est absorbée par un réseau métallo-organique, elle génère un état excité dans lequel la charge électrique est redistribuée, en particulier vers les centres de fer », explique le professeur Dominik Eder (TU Wien) : « Les liaisons organiques environnantes modulent les propriétés du MOF et donc ses performances catalytiques. De cette manière, ils influencent la cinétique de transfert d’électrons, la force de liaison de l’azote et l’accessibilité des protons de l’eau environnante au site actif. 

Une fois qu’une molécule d’azote se fixe sur un site ferrique approprié, sa triple liaison extrêmement stable s’affaiblit et devient plus réactive. La molécule peut alors être progressivement convertie en ammoniac par des transferts successifs d’électrons et de protons.

Une étape importante vers de nouvelles technologies

« Nous montrons que de minuscules modifications des ligands organiques peuvent fortement altérer l’activité du catalyseur », explique Jana Bischoff. « Nous avons étudié une série de structures métallo-organiques contenant différents ligands organiques afin de comprendre comment l’activité de production d’ammoniac peut être ajustée. »

Les travaux actuels ne constituent pas encore le coup d’envoi de la production industrielle d’ammoniac, mais ils représentent une étape importante dans cette direction. Les structures métallo-organiques (MOF) ouvrent de nouvelles voies prometteuses vers la conception de catalyseurs sur mesure pour des processus énergétiquement exigeants et d’importance mondiale, tels que la synthèse de l’ammoniac.