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    Développement d'un catalyseur de synthèse d'ammoniac hautement efficace

    Comparaison de l'activité de synthèse de l'ammoniac (température de réaction 260ºC, pression 9 atm). Crédit: Angewandte Chemie

    Des chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech) ont découvert qu'un catalyseur d'amide de calcium avec une petite quantité de baryum ajouté (Ba-Ca(NH 2 ) 2 ) avec des nanoparticules de ruthénium immobilisées dessus peut synthétiser de l'ammoniac avec une efficacité 100 fois supérieure à celle des catalyseurs au ruthénium conventionnels à basse température inférieure à 300 °C. Les performances de ce catalyseur sont également plusieurs fois supérieures par rapport aux catalyseurs au fer actuellement utilisés industriellement.

    L'ammoniac est un ingrédient brut pour les engrais azotés et est la clé de la production alimentaire. Une molécule d'ammoniac est un atome d'azote lié à trois atomes d'hydrogène. Par conséquent, l'ammoniac est une substance avec une teneur en hydrogène très élevée pour sa masse. Parce qu'il devient liquide à température ambiante à une pression de 10 atmosphères, c'est aussi un vecteur énergétique pour l'hydrogène, la source d'énergie pour des technologies telles que les piles à combustible.

    Le procédé Haber-Bosch, la méthode industrielle actuelle de synthèse de l'ammoniac (établie en 1913) utilise un catalyseur composé principalement de fer et nécessite des températures élevées (400 à 500 °C) et des pressions élevées (100 à 300 atm). Pour remplir ces conditions, l'ammoniac est produit en grande quantité, usines dédiées puis transporté vers les usines où il est utilisé pour des processus industriels. Il existe depuis longtemps une demande de production sur site dans laquelle la quantité requise d'ammoniac peut être synthétisée là où elle est requise, contrairement au procédé conventionnel à grande échelle.

    Le groupe de recherche Tokyo Tech du professeur Hideo Hosono, Professeur Michikazu Hara, Le professeur agrégé Masaaki Kitano et d'autres ont découvert un catalyseur de synthèse d'ammoniac qui fonctionne à haute efficacité à basse température. Ils ont découvert qu'un catalyseur d'amide de calcium avec une petite quantité de baryum ajouté (Ba-Ca(NH 2 ) 2 ) sur lequel sont immobilisées des nanoparticules de ruthénium, présente une activité catalytique 100 fois supérieure à celle des catalyseurs de ruthénium conventionnels à basse température inférieure à 300 °C. Plus loin, les performances catalytiques de ce catalyseur sont également plusieurs fois supérieures par rapport aux catalyseurs à base de fer utilisés industriellement (Figure 1).

    La structure active du catalyseur développé (Ru/Ba-ca(NH2)2) Angewandte Chemie

    Un complexe d'acétylacétonate de ruthénium est utilisé comme matière première pour le ruthénium. En chauffant une poudre mélangée à du Ba-Ca(NH 2 ) 2 à 400ºC dans une atmosphère d'hydrogène, une fine couche de baryum est formée sur des nanoparticules de ruthénium d'une taille d'environ 3 nm, car de l'amide de calcium poreux se forme simultanément (Figure 2). La superficie de Ba-Ca(NH 2 ) 2 , la matière première du catalyseur, n'est que d'environ 17 m 2 /g. Cependant, puisque le catalyseur devient poreux lorsqu'il est chauffé à 400°C dans l'hydrogène avec la source de ruthénium, le groupe a constaté que la superficie s'étend à environ 100 m 2 /g. Plus loin, le constituant baryum ajouté à l'amide de calcium se déplace à la surface du catalyseur au cours de ce traitement thermique et forme une couche mince en recouvrant les nanoparticules de ruthénium. Le groupe a découvert qu'il s'agit d'un catalyseur unique, avec de telles structures actives se formant de manière auto-organisée et restant stables tout au long de la réaction. Le catalyseur développé dans cette recherche présente l'activité de synthèse d'ammoniac la plus élevée à basse température de tous les catalyseurs solides rapportés ces dernières années.

    Le catalyseur développé dans cette recherche dépasse de loin les limites des matériaux catalytiques existants dans son activité de synthèse d'ammoniac et contribuera de manière significative à réduire l'énergie utilisée pour le processus de synthèse d'ammoniac. À cause de ce, le développement ultérieur de cette technologie devrait conduire à une nouvelle structure de procédé pour la synthèse sur site de l'ammoniac.


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