Comment un photocatalyseur peut-il convertir l'azote en ammoniac en utilisant de l'eau et de la lumière ? Avec une collaboration internationale, des chercheurs de Chine et de Singapour se sont penchés sur l'ingénierie de pointe des photocatalyseurs pour la fixation de l'azote (N2) afin de comprendre la synthèse de l'ammoniac (NH3). Le travail a été signalé dans Horizons de matériaux .

Le N2 est l'un des gaz les plus abondants sur Terre, constituant 78 pour cent de l'atmosphère. Néanmoins, Le N2 à l'état gazeux ne peut pas être utilisé efficacement par la plupart des organismes. Par conséquent, Le N2 doit être "fixé" pour le rendre utile en brisant les triples liaisons N≡N ultra-fortes pour le transformer en une forme pouvant être consommée par les plantes, les animaux et les êtres humains. À ce jour, il existe deux méthodes typiques pour réaliser la fixation de N2. L'un est un processus naturel et bactérien, et un autre, le procédé Haber-Bosch, est synthétique. Depuis 100 ans, la conversion de N2 a conduit à la production à grande échelle d'engrais et a soutenu l'approvisionnement alimentaire de la population mondiale.

"Le procédé Haber-Bosch utilise des températures et des pressions élevées, nécessitant ainsi une quantité massive (environ 2 %) de l'approvisionnement mondial en combustibles fossiles. Par conséquent, nous envisageons qu'un procédé alternatif utilisant des nanomatériaux qui absorbe l'énergie lumineuse pour imiter la photosynthèse naturelle des plantes pourrait servir de changement de paradigme pour la fixation de l'azote, " a déclaré le Dr Wee-Jun Ong, chercheur à l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux (IMRE).

« Par rapport au procédé catalytique thermochimique, la photosynthèse artificielle est considérée comme une voie durable de stockage de l'énergie solaire renouvelable sous forme de produits chimiques à forte densité énergétique, " a déclaré Ong. " La réaction thermodynamique non spontanée peut être obtenue via une combinaison de séparation de l'eau et de réduction de N2 sur un photocatalyseur en présence de lumière solaire, " il expliqua.

Dans un article récent paru dans Horizons de matériaux , Ong et ses collègues présentent un rapport d'avancement de la fixation photocatalytique de N2, qui est naturellement déclenché par l'action des microbes. "Nous classons les photocatalyseurs en fonction des compositions chimiques allant de l'oxyde métallique au sulfure métallique, oxyhalogénures de bismuth, nanomatériaux carbonés et autres matériaux potentiels. Nous soulignons l'importance et la relation entre la modification, par ex. conception de nanoarchitecture, ingénierie des facettes du cristal, se doper, et hétérostructuration - et influences sur l'activité photocatalytique des catalyseurs conçus, " note Xingzhu Chen, le premier auteur de l'article, qui résume les conclusions.

« À en juger par la littérature existante dans cette plate-forme de recherche à ce stade, des catalyseurs assistés par ordinateur conçus via des calculs de chimie quantique pour la photofixation de N2 seraient un outil robuste pour simuler des états électroniques et des voies de réaction vers une excellente absorption de la lumière solaire et les performances sélectives de la catalyse, " dit Ong.

Même s'il existe actuellement de nombreux facteurs entravant le clivage et l'hydrogénation de N2, les conditions de réaction sont devenues plus douces au fil des ans - l'air et la lumière visible ont été progressivement adoptés comme source d'azote et de lumière au lieu de l'azote pur et de l'irradiation ultraviolette (UV). Cependant, les connaissances sur le mécanisme de la réaction photocatalytique ont été insuffisantes jusqu'à présent, malgré la complexité de la réaction de fixation de N2. "Des techniques avancées de caractérisation in situ ou operando sont nécessaires pour examiner les connaissances atomiques en réactivité ainsi que pour comprendre la dynamique des porteurs de charge à l'état excité, " dit Ong.

Et après? Les chercheurs espèrent traduire du niveau laboratoire aux applications industrielles, et amplifier le rendement des catalyseurs tout en maintenant les structures intrinsèques pour la commercialisation de l'ammoniac renouvelable.

Le Dr Ong a dit :« En regardant les perspectives à long terme, nous sommes certains que notre travail fournira une base importante pour la prochaine ère de recherche non seulement dans la fixation photocatalytique de N2 en particulier, mais aussi dans les domaines interdisciplinaires de la chimie, la science des matériaux, conversion d'énergie et stockage d'énergie."

Outre la fixation solaire de N2, Dr Ong, Le professeur Li et ses équipes ont recherché la conception intelligente de photocatalyseurs pouvant rendre la séparation de H2O et la réduction de CO2 plus efficaces et durables grâce à l'énergie solaire via des analyses expérimentales et informatiques. Des travaux sur la conversion des combustibles solaires en énergie sont en cours.