Le pain est souvent appelé le bâton de la vie, mais cette étiquette pourrait être plus précisément appliquée à l'azote, l'élément que les bactéries du sol arrachent de l'atmosphère et modifient chimiquement pour aider à stimuler la croissance des plantes, qui finissent par nourrir le bétail et les humains.

Aujourd'hui, une vaste industrie existe pour produire et fournir des engrais à base d'azote aux fermes, qui bénéficient de rendements agricoles plus élevés mais, Malheureusement, à un certain coût environnemental, car l'excès de ruissellement chimique se déverse souvent dans les rivières et les cours d'eau côtiers.

Maintenant, les chercheurs de Stanford mènent un effort pluriannuel pour produire ce stimulateur de croissance vital de manière durable, en inventant une technologie de chimie solaire qui permet de fabriquer cet engrais directement à la ferme et de l'appliquer directement sur les cultures, style d'irrigation goutte à goutte.

"Notre équipe développe un processus de production d'engrais qui peut nourrir le monde d'une manière écologiquement durable, " dit l'ingénieur chimiste Jens Norskov, directeur du SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, un partenariat entre des chercheurs de Stanford Engineering et du SLAC National Accelerator Laboratory.

Ce projet SUNCAT de huit ans est soutenu par une subvention de 7 millions de dollars de la Fondation Villum, une philanthropie scientifique et environnementale internationale. L'effort d'azote durable s'inscrit dans un Initiative de 20 millions de dollars soutenue par Villum pour réunir des chercheurs de Stanford et des scientifiques danois afin de développer des technologies durables pour produire non seulement des engrais, mais les carburants et autres produits chimiques industriels vitaux.

"Un fil conducteur à travers ces projets est la nécessité d'identifier des catalyseurs qui peuvent promouvoir des processus chimiques alimentés par la lumière du soleil, au lieu de compter sur les combustibles fossiles maintenant couramment utilisés comme sources d'énergie et, souvent, comme matière première pour les réactions, " dit Norskov, professeur de génie chimique et de science des photons à Stanford.

Les catalyseurs – des composés qui stimulent les réactions sans être consommés – sont utilisés à l'échelle industrielle depuis plus d'un siècle. Les engrais d'aujourd'hui sont généralement dérivés de la pétrochimie grâce à un processus énergivore qui repose sur des catalyseurs pour accélérer les réactions qui se produisent sous des pressions et des températures élevées. Développer une basse énergie, procédé solaire pour fabriquer des engrais azotés pourrait profiter à des milliards de personnes, en particulier ceux du monde en développement. Mais pour y parvenir, les chercheurs de SUNCAT devront innover dans la science de la catalyse.

"Nous ne connaissons aucun catalyseur artificiel capable de faire ce dont nous avons besoin, " Norskov dit. "Nous devrons les concevoir."

Azote et vie

L'azote est littéralement tissé dans le tissu de la vie. Grâce à des combinaisons chimiques avec le carbone, hydrogène et oxygène, l'azote aide à former des acides aminés, qui sont eux-mêmes les éléments constitutifs des protéines, cette famille polyvalente de molécules vitales pour tout être vivant. Nous pouvons remercier les bactéries du sol d'avoir rendu l'azote utilisable. Au fil du temps, les micro-organismes ont développé un écosystème biochimique pour extraire l'azote de l'atmosphère et le combiner avec l'hydrogène de l'eau pour former des composés tels que l'ammoniac qui peuvent être absorbés par les plantes, favorisant leur croissance et canalisant ce gaz atmosphérique vers la chaîne alimentaire.

Nous ne savons pas quand les agriculteurs ont découvert pour la première fois les avantages de la fertilisation, mais la pratique est ancienne. Les études modernes des sols autour des établissements néolithiques suggèrent que, dès 6, il y a 000 ans, les agriculteurs ont cherché à augmenter les rendements en fertilisant les cultures avec des déchets animaux – désormais connus pour contenir de l'urée riche en azote (ammoniac plus carbone). D'autres pratiques de fertilisation traditionnelles ont inclus la culture de cultures telles que le trèfle et la luzerne qui sont bonnes pour fixer l'azote utilisable dans le sol, ou simplement laisser les champs en jachère pour permettre aux bactéries du sol de reconstituer l'approvisionnement de la nature. Heures supplémentaires, à mesure que la population augmentait et se déplaçait vers les villes, des industries ont vu le jour pour fournir aux agriculteurs des engrais azotés. Parfois, cela impliquait d'envoyer des navires pour ramasser des gisements de guano d'oiseaux au large d'îles éloignées, ou des produits chimiques miniers comme le nitrate de sodium ou le sulfate d'ammonium qui pourraient être raffinés en additifs de croissance des plantes.

Dans la première décennie du 20e siècle, cependant, la croissance démographique menaçait de surcharger de telles pratiques. C'est à ce moment crucial que le chimiste allemand Fritz Haber, travailler avec l'ingénieur chimiste Carl Bosch, découvert comment produire en masse de l'ammoniac dans des cuves géantes en utilisant du gaz naturel, qui était le point de départ ou la matière première du processus. Sous pression et chaleur extrêmes, les catalyseurs chimiques pourraient casser les molécules de gaz naturel, libérer les atomes d'hydrogène et les joindre à l'azote de l'air pour former NH3, ou de l'ammoniac synthétique qui pourrait être facilement absorbé par les plantes. La technologie Haber-Bosch a été saluée comme l'une des découvertes clés du 20e siècle.

"Nous nourrissons littéralement le monde d'engrais issus du procédé Haber-Bosch, " dit Norskov.

Échelle et impact environnemental

Tom Jaramillo, directeur adjoint du Centre SUNCAT et membre du projet de synthèse d'azote, mettre en perspective la production annuelle d'engrais.

"Chaque année, nous produisons plus de 20 kilogrammes d'ammoniac par personne pour chaque personne sur la planète, et la plupart de cet ammoniac est utilisé comme engrais, " dit Jaramillo, professeur agrégé de génie chimique et de science des photons à Stanford.

Mais cette production massive d'engrais a plusieurs coûts, à commencer par la fabrication. En raison de la chaleur et de la pression requises par le procédé Haber-Bosch, la catalyse à l'ammoniac représente environ 1 % de la consommation énergétique mondiale. En plus de ça, entre 3 % et 5 % du gaz naturel mondial est utilisé comme matière première pour fournir l'hydrogène nécessaire à la synthèse de l'ammoniac.

Viennent ensuite les coûts environnementaux. Les engrais d'aujourd'hui sont produits en masse dans des usines centralisées, livrés aux exploitations et administrés à l'aide d'épandeurs mécanisés. L'eau de pluie et d'irrigation peut entraîner l'excès d'engrais dans les cours d'eau, rivières et cours d'eau côtiers. Les accumulations de ruissellement d'engrais peuvent stimuler l'hyper croissance des plantes d'origine hydrique, créer une spirale environnementale négative dans laquelle les plantes peuvent étouffer la vie marine pour créer des "zones mortes" dans les rivières, lacs et baies d'eau salée.

Les chercheurs de SUNCAT visent à offrir les avantages de la fertilisation sans aucun de ces coûts. L'idée est de remplacer le centralisé, Le procédé Haber-Bosch basé sur des combustibles fossiles avec un réseau distribué de modules de production d'ammoniac à la demande utilise de l'énergie renouvelable. Ces modules utiliseraient l'énergie solaire pour extraire l'azote de l'atmosphère et aussi pour catalyser la division des molécules d'eau pour obtenir de l'hydrogène et de l'oxygène. Les processus catalytiques uniraient alors un atome d'azote à trois atomes d'hydrogène pour produire de l'ammoniac, avec de l'oxygène comme déchet.

"Nous exploiterons l'énergie solaire en présence de catalyseurs bien conçus pour créer de l'ammoniac directement dans les champs agricoles, " Norskov dit. " Pensez-y comme une méthode d'irrigation goutte à goutte pour synthétiser l'ammoniac, où il s'infiltre dans les racines des cultures."

Cet effort intervient alors que l'attention se concentre sur la forte dépendance de l'agriculture industrialisée à l'égard des combustibles fossiles et les nombreuses ramifications environnementales de cette dépendance.

"Vous n'aurez pas besoin d'énormes quantités de combustibles fossiles comme matière première d'ammoniac, ou pour conduire les camions qui livrent les engrais ou les tracteurs qui les épandent, " Norskov dit. " Et vous n'aurez pas de problème avec l'application excessive et le ruissellement d'engrais, car pratiquement tous les engrais produits seront entièrement consommés par les cultures. »

Un tel processus aurait des retombées mondiales. Dans les économies développées à agriculture mécanisée, la catalyse solaire à l'azote fournirait des engrais avec des coûts environnementaux considérablement inférieurs. Dans des régions comme l'Afrique subsaharienne, où les sols appauvris ont entravé les efforts d'agriculture durable et de reboisement, une technologie de fertilisation solaire pourrait aider les agriculteurs de subsistance à augmenter les rendements des cultures et à soulager la faim.

Catalyse de nouvelle génération

Développer une technologie solaire pour produire des engrais à base d'azote est un énorme défi qui commence par la conception des catalyseurs nécessaires.

« Il est remarquable à quel point l'activité économique et industrielle dépend de la catalyse et à quel point celle-ci est peu appréciée, " dit Norskov.

Les catalyseurs sont les multitâches de la chimie :ils doivent cibler des molécules spécifiques, rompre certaines liaisons chimiques et, souvent, créer de nouvelles liaisons pour refaire à partir du fouillis atomique la molécule finale souhaitée. Il est naturellement rare de trouver un agent chimique qui puisse effectuer toutes ces ruptures et ces fabrications sans s'épuiser - dans ce cas une référence technique au fait qu'un catalyseur doit effectuer ces réactions chimiques sans changer la structure atomique qui lui a permis d'effectuer son magie multitâche en premier lieu.

« Alors que le catalyseur doit se lier suffisamment fortement à la molécule cible pour effectuer le travail requis, il doit également libérer le produit final, " dit Stacey Bent, professeur de génie chimique à Stanford et membre clé de l'équipe SUNCAT. "Nous devons concevoir des catalyseurs capables de créer et de rompre des liaisons avec une précision atomique, et nous devons nous assurer que ces matériaux peuvent être produits en masse aux échelles et prix nécessaires, et sont durables et simples à utiliser dans les champs."

Cela est particulièrement vrai dans le cas du processus de production d'engrais envisagé ici, Jaramillo explique, en raison de la complexité du processus.

"Nous devons concevoir une série de réactions pour séparer la molécule d'azote de l'air, séparer l'hydrogène de l'eau et les combiner pour former de l'ammoniac, avec la seule énergie d'entrée provenant de l'énergie solaire, " Jaramillo dit, ajouter, "Nous n'en sommes vraiment qu'au début."

Calcul, visualisation, expérimentation

L'étroite relation de travail entre les ingénieurs de Stanford et les chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory est une partie importante de l'histoire.

Les accélérateurs de particules et les technologies d'imagerie du SLAC peuvent capturer et visualiser des réactions chimiques à l'échelle atomique. Cette, en combinaison avec les ressources informatiques du SLAC, permettra à l'équipe SUNCAT d'utiliser une variété de techniques, dont l'intelligence artificielle, apprentissage automatique et simulation, identifier des matériaux prometteurs, puis prédire comment de légères altérations de leurs structures atomiques pourraient les optimiser pour une utilisation comme catalyseurs.

"Nous prévoyons de simuler les propriétés des matériaux qui pourraient effectuer les réactions nécessaires, " dit Bent, « et puis proposer une courte liste des meilleurs candidats pour les expérimentateurs à synthétiser et tester. »

L'ampleur de la tâche requiert un large éventail de talents. En plus de Norskov, Jaramillo et Bent, les autres chercheurs participants de Stanford incluent la faculté de génie chimique Zhenan Bao et Matteo Cargnello. Les collaborateurs du SLAC incluent Thomas Bligaard, scientifique senior et directeur adjoint de la théorie à SUNCAT, et le scientifique Frank Abild-Pedersen. Un groupe de chercheurs danois dirigé par le professeur Ib Chorkendorff à l'Université technique du Danemark sont des membres clés du projet.

"Nous faisons partie d'une équipe très forte, s'attaquer à certains des plus grands défis de la chimie, génie chimique et durabilité, " dit Jaramillo.

Le but ultime est de créer un processus catalytique qui peut stimuler les diverses réactions chimiques productrices d'ammoniac sans autre apport que l'air, l'eau et la lumière du soleil. De plus, ces catalyseurs inépuisables, et bien sûr chaque composant de ces modules de production d'ammoniac, doit être peu coûteux à produire en masse, durable sur le terrain et facile à utiliser. C'est un défi de taille, mais le gain potentiel est énorme.

"La production durable d'azote ne deviendra possible qu'avec la collaboration interdisciplinaire de personnes travaillant dans des domaines tels que la science des matériaux, génie chimique et informatique, " Bent dit. "Cela pourrait littéralement changer le monde."

Si l'objectif du projet semble en valoir la peine, il en est de même pour sa méthodologie de recherche. Découverte en équipe qui combine un aperçu théorique, la visualisation au niveau atomique et la simulation informatique peuvent être appliquées à la conception d'autres processus durables pour créer des carburants et des produits chimiques industriels, tel qu'envisagé par l'initiative plus large de Villum.

Norskov a encadré cet objectif plus large dans le contexte du réchauffement climatique dans un article récent co-écrit avec Arun Majumdar, professeur de génie mécanique à Stanford, co-directeur de l'Institut de l'énergie de Précourt et ancien directeur fondateur de l'Agence des projets de recherche avancée – Énergie.

Dans un essai pour la Scientific Philanthropy Alliance, Norskov et Majumdar postulent que la civilisation a atteint le point où les technologies qui ont permis à notre population de croître peuvent maintenant menacer les fondements de la vie. Le défi essentiel du 21e siècle est de développer de nouvelles technologies qui répondent aux besoins humains de manière durable sur le plan environnemental.

"Essentiellement, nous essayons de rétablir l'équilibre dans les cycles du carbone et de l'azote de la Terre qui a été perdu par l'augmentation exponentielle de la demande de nourriture et de combustibles fossiles, " Norskov et Majumdar écrivent, ajouter, "Il est temps d'agir."