Environ la moitié de l'azote dans notre corps provient aujourd'hui de bactéries via l'enzyme nitrogénase, qui convertit, ou "correctifs, " de l'azote gazeux non réactif dans l'atmosphère sous une forme que les plantes peuvent utiliser pour leur croissance. L'autre moitié est produite artificiellement grâce à un processus industriel énergivore développé il y a plus de 100 ans. Ce processus, appelé Haber-Bosch (H-B) du nom des deux chimistes qui l'ont développé, produit de l'ammoniac en utilisant des catalyseurs à base de fer pour favoriser la réaction de l'azote de l'air et de l'hydrogène dérivé principalement du méthane. Par un autre procédé chimique (Ostwald), l'ammoniac s'oxyde (réagit avec l'oxygène) pour produire de l'acide nitrique, un ingrédient clé de l'engrais.

Alors que le procédé H-B a révolutionné notre capacité à cultiver des aliments, elle est largement motivée par l'utilisation de combustibles fossiles, consommant environ deux pour cent de l'énergie mondiale. Il contribue également massivement aux émissions de gaz à effet de serre, libérant deux pour cent du dioxyde de carbone mondial.

Une feuille de route pour la recherche en chimie de l'azote

Trouver des voies plus respectueuses de l'environnement et de l'énergie pour transformer l'azote nécessitera le développement de nouveaux catalyseurs pour accélérer les réactions chimiques et les sources d'énergie renouvelables pour conduire ces réactions. En octobre 2016, l'Office of Science du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) a parrainé un atelier de deux jours pour les scientifiques de laboratoire et universitaires nationaux possédant l'expertise pertinente pour se concentrer sur les défis et les opportunités de l'activation de l'azote. Un article de synthèse, principalement basé sur les présentations et les discussions de cet atelier, a été publié le 25 mai dans la revue Science .

"L'article fournit une feuille de route pour la recherche fondamentale sur les réactions de transformation de l'azote, " a déclaré le premier et co-auteur Jingguang Chen, un chimiste principal au laboratoire national de Brookhaven du DOE et le professeur Thayer Lindsley de génie chimique à l'Université de Columbia. "Beaucoup de ces réactions peuvent se produire dans des conditions relativement douces - sans les températures ou les pressions élevées requises dans H-B - mais le défi consiste à identifier les catalyseurs qui sont actifs, sélectif, et stable." Chen; auteur co-correspondant Richard Crooks, la chaire Robert A. Welch en chimie des matériaux à l'Université du Texas à Austin; et Lance Seefeldt, professeur au Département de chimie et de biochimie de l'Utah State University, ont conjointement proposé le sujet et coprésidé l'atelier.

La recherche sur des voies alternatives pour la transformation de l'azote sans l'utilisation de combustibles fossiles comme source d'énergie commence par une analyse de la thermodynamique. Pour que l'azote gazeux soit réduit ou oxydé, la triple liaison très stable qui maintient étroitement les deux atomes d'azote ensemble doit être rompue.

"Avant d'essayer de trouver de nouveaux catalyseurs avec les propriétés appropriées, nous devons déterminer si les voies réactionnelles des voies alternatives sont énergétiquement réalisables, " a expliqué le co-auteur et chimiste du Brookhaven Lab, Sergei Lymar. " De nombreuses voies thermodynamiquement réalisables existent, mais ils ont été largement négligés au cours des 100 dernières années parce que H-B a connu un tel succès. Bien qu'il n'y ait aucune garantie que nous serons en mesure d'exécuter ces réactions à grande échelle, les calculs thermodynamiques nous fournissent un point de départ à partir duquel nous pouvons cribler des matériaux catalytiques potentiels."

Voies possibles de transformation de l'azote

L'article Science décrit plusieurs processus alternatifs pour les transformations oxydatives et réductrices de l'azote. Côté réduction, une possibilité consiste à remplacer le méthane par de l'eau comme source d'hydrogène dans le procédé H-B. Un catalyseur pourrait diviser l'eau en hydrogène et oxygène, utilisant l'énergie produite par des panneaux solaires ou des éoliennes. Une autre idée est d'éliminer complètement le processus H-B, au lieu de cela, produire directement de l'ammoniac dans des cellules électrochimiques avec des électrocatalyseurs ou des photocatalyseurs (matériaux sensibles à la lumière) aux électrodes. Les cellules pourraient être alimentées par des énergies renouvelables ou même par des bactéries fixatrices d'azote.

« Les transformations électrochimiques sont intrinsèquement propres, " a déclaré Crooks. "Mais la quantité limitée de recherches qui ont été dirigées vers l'électrochimie de l'azote n'a même pas vraiment établi une direction claire pour les recherches futures."

Les scientifiques tentent également de comprendre comment la nitrogénase fonctionne à basse température et pression et sans hydrogène gazeux. S'ils peuvent imiter la fonction de cette enzyme, ils pourraient concevoir de nouveaux catalyseurs moléculaires de réduction de l'azote qui fonctionnent dans des conditions moins difficiles que celles de H-B.

De telles approches durables permettraient de produire de l'ammoniac de manière distribuée plutôt que par le biais des installations H-B centralisées actuellement en place. Cette production distribuée est particulièrement importante dans les pays en développement qui font face à une croissance démographique rapide mais qui ne disposent pas de suffisamment de capital pour construire de grandes usines chimiques et des infrastructures pour transporter les engrais. Si des panneaux solaires sont installés à proximité des champs agricoles, par exemple, l'énergie de la lumière du soleil pourrait créer les électrons énergétiques nécessaires à la réduction de l'azote en ammoniac, si des catalyseurs appropriés sont disponibles.

Côté oxydation, les scientifiques étudient la réaction directe entre l'azote et l'oxygène gazeux pour produire de l'acide nitrique. La quasi-totalité des 50 millions de tonnes d'acide nitrique produites chaque année sont fabriquées indirectement par le procédé d'Ostwald par oxydation de l'ammoniac généré par H-B.

"La manière actuelle de produire l'acide nitrique est en quelque sorte à l'envers du point de vue du flux d'électrons, " dit Lymar. " D'abord, l'azote est réduit jusqu'en ammoniac, puis l'ammoniac est oxydé jusqu'en acide nitrique, couvrant tous les huit états d'oxydation de l'azote. Il serait plus pratique d'oxyder directement l'azote avec de l'oxygène, mais cette réaction ne devient spontanée qu'à des températures extrêmes."

Une idée pour surmonter ce problème est d'oxyder l'azote à basse température, plasmas non thermiques - gaz faiblement ionisés qui contiennent des électrons énergétiques « chauds » et des molécules proches de la température ambiante, atomes, et des ions. En excitant vibrationnellement les molécules d'azote, les plasmas non thermiques pourraient aider les catalyseurs à accélérer la réaction d'oxydation.

L'article décrit également des approches pour réduire les oxydes d'azote polluants dans l'air. Ces gaz sont produits lorsque l'azote et l'oxygène réagissent lors de la combustion. Les gaz d'échappement des véhicules sont une source importante d'oxydes d'azote, qui contribuent à la formation de smog et de pluies acides. Certaines bactéries ont des enzymes qui réduisent les oxydes d'azote en azote gazeux, et ces bactéries dénitrifiantes seront probablement une source d'inspiration pour les scientifiques cherchant à concevoir de nouveaux catalyseurs pour la protection de l'environnement.

« Les progrès dans l'un de ces domaines nécessiteront une compréhension au niveau moléculaire des réactions naturelles et artificielles de transformation de l'azote, " a déclaré Chen. " Le but de cet article est de fournir des orientations pour la recherche fondamentale, menant, espérons-le, au développement de simples, des voies à basse énergie pour manipuler les états redox de l'azote."