Steven McIntosh veut transformer la façon dont l'ammoniac est produit. Il espère créer une alternative viable à la méthode conventionnelle, qui utilise des quantités massives d'énergie et émet du dioxyde de carbone nocif. Il explore une méthode électrochimique durable pour conduire efficacement la réaction chimique qui produit de l'ammoniac.

L'ammoniac est un gaz incolore composé d'un atome d'azote et de trois atomes d'hydrogène. Le procédé Haber-Bosch, créé par les chimistes allemands Fritz Haber et Carl Bosch au début du XXe siècle, a rendu possible la production alimentaire de masse, car la principale utilisation industrielle de l'ammoniac est l'agriculture comme engrais.

Le processus Haber, comme il est bien connu, combine l'azote de l'air avec de l'hydrogène dérivé du gaz naturel - composé principalement de méthane - dans une réaction chimique qui fonctionne à très haute pression. Dans cette méthode conventionnelle, fer à repasser, le catalyseur utilisé, "casse" facilement les atomes d'hydrogène. Cependant, une énorme pression est nécessaire pour "pousser" l'azote sur le catalyseur pour stimuler la réaction. En outre, le processus de génération d'hydrogène à partir de méthane émet de grandes quantités de dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, dans l'atmosphère.

La fabrication d'ammoniac consomme 1 à 2 % de l'énergie mondiale totale et est responsable d'environ 3 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone.

Compte tenu de la nécessité d'augmenter la production alimentaire en raison de la croissance démographique – 2 milliards de personnes s'ajouteront à la planète d'ici 2050 – il est clair qu'une méthode durable de production d'ammoniac doit être créée.

McIntosh le dit plus succinctement :« Le processus de production d'ammoniac est essentiel à la survie humaine, n'a pas changé depuis plus de cent ans et est un gros pollueur. Il est temps de faire un changement."

McIntosh, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l'Université Lehigh, explore une méthode de production d'ammoniac qui pourrait stimuler un tel changement en utilisant l'électricité pour conduire la réaction chimique. Sa méthode éliminerait le besoin d'utiliser une pression élevée pour rompre les liaisons azotées. Et, car il tire de l'hydrogène de l'eau au lieu du gaz naturel, il n'y aurait pas d'émissions de dioxyde de carbone. Son principal sous-produit serait l'oxygène.

McIntosh a récemment reçu une subvention de recherche collaborative de trois ans de la National Science Foundation (NSF) pour soutenir cette recherche. McIntosh dirigera l'équipe Lehigh en tant que chercheur principal en étroite collaboration avec une équipe de l'Université de Pennsylvanie, Professeurs Raymond J. Gorte, John M. Vohs et Aleksandra Vojvodic.

Dans un changement de paradigme transformateur, McIntosh et ses collègues étudieront une méthode de production d'ammoniac à partir d'hydrogène et d'azote à l'aide d'un conducteur de protons, céramique, cellule électrochimique à oxyde solide. Leur hypothèse centrale est que la pression atmosphérique, la synthèse de l'ammoniac peut être réalisée en entraînant électrochimiquement de l'hydrogène sur des surfaces catalytiques qui sont normalement limitées par une couverture élevée en nitrure.

"Nous prévoyons d'expérimenter en utilisant différents catalyseurs, comme le tungstène, qui serait normalement recouvert d'azote, perturber l'équilibre hydrogène-azote nécessaire à la réaction, " dit McIntosh. " Nous allons résoudre ce déséquilibre en appliquant un potentiel électrochimique pour conduire l'hydrogène sur la surface du catalyseur et former de l'ammoniac. "

Le projet tirera parti des méthodes d'infiltration précédemment développées pour la synthèse des électrodes dans les piles à combustible à oxyde solide, ce qui permet d'utiliser une large gamme de matériaux pour les électrodes. L'équipe explorera également des conducteurs mixtes électroniques-protoniques qui peuvent être ajoutés à l'électrode pour améliorer la limite triphasée où la réaction électrochimique peut se produire. Le choix des électrocatalyseurs sera guidé par des études théoriques complémentaires.

McIntosh décrit la méthode proposée comme l'ajout d'un « bouton supplémentaire » – l'électricité – au processus de production d'ammoniac.

« Dans cette méthode, l'hydrogène proviendra de l'eau, ce qui en fera une sorte de « pile à combustible inversée », ", dit McIntosh.

Une pile à combustible combine de l'hydrogène et de l'oxygène pour produire de l'eau et, ce faisant, crée de l'électricité. Le réacteur proposé utilisera l'électricité pour séparer l'eau afin de fournir l'hydrogène nécessaire à la synthèse de l'ammoniac, supprimant la nécessité de consommer du gaz naturel et d'émettre du dioxyde de carbone. Ce projet se traduira par des cellules de démonstration à petite échelle qui séparent les atomes d'hydrogène et d'oxygène qui composent l'eau, utilisant l'hydrogène et émettant de l'oxygène.

Selon McIntosh, les chercheurs ont essayé des méthodes de production d'ammoniac similaires, mais ont pu produire très peu d'ammoniac. En ce qui concerne l'ammoniac, c'est la capacité de le produire à l'échelle industrielle qui compte.

C'est pourquoi l'un des principaux objectifs du projet est de produire un taux raisonnable de production d'ammoniac. Un autre objectif est de démontrer ce que McIntosh dit être la "modularité" potentielle de cette technique.

Finalement, cette nouvelle façon de produire de l'ammoniac pourrait faire partie d'un effort plus large visant à rendre la production alimentaire plus verte et plus durable.

« La fabrication d'ammoniac par la méthode conventionnelle nécessite une énorme source d'énergie, ce qui signifie qu'elle doit être fabriquée à un seul endroit puis expédiée, ce qui ajoute à l'inefficacité de la méthode, " dit McIntosh. " L'espoir est qu'un jour l'ammoniac puisse être produit sur place à l'aide d'une cellule modulaire comme celle que nous explorons, alimenté par une source d'électricité locale telle que des panneaux solaires ou des éoliennes."