La solution à un mystère vieux de 75 ans pourrait un jour permettre aux agriculteurs des pays en développement de produire leur propre engrais à la demande, en utilisant la lumière du soleil et l'azote de l'air.

Grâce à une source de rayons X spécialisée au Lawrence Berkeley National Laboratory, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont confirmé l'existence d'une interaction supposée depuis longtemps entre l'azote et le dioxyde de titane (TiO 2 ) - un matériau photoactif commun également connu sous le nom de dioxyde de titane, en présence de lumière. On pense que la réaction catalytique utilise des atomes de carbone trouvés comme contaminants sur l'oxyde de titane.

Si la réaction de fixation d'azote peut être augmentée, il pourrait un jour contribuer à alimenter la production d'engrais propre à l'échelle des exploitations agricoles, ce qui pourrait réduire la dépendance vis-à-vis des installations de production centralisées à forte intensité de capital et des systèmes de distribution coûteux qui augmentent les coûts pour les agriculteurs dans les régions isolées du monde. La plupart des engrais dans le monde sont désormais fabriqués à partir d'ammoniac produit par le procédé Haber-Bosch, qui nécessite de grandes quantités de gaz naturel.

"Aux Etats-Unis, nous avons un excellent système de production et de distribution d'engrais. Cependant, de nombreux pays n'ont pas les moyens de construire des usines Haber-Bosch, et peuvent même ne pas disposer d'infrastructures de transport adéquates pour importer des engrais. Pour ces régions, la fixation photocatalytique de l'azote pourrait être utile pour la production d'engrais à la demande, " dit Marta Hatzell, professeur adjoint à la Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech. "Finalement, cela pourrait être un processus peu coûteux qui pourrait rendre les nutriments à base d'engrais disponibles à un plus large éventail d'agriculteurs. »

Hatzell et son collaborateur Andrew Medford, professeur adjoint à la Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering, travaillent avec des scientifiques du Centre international de développement des engrais (IFDC) pour étudier les impacts potentiels du processus de réaction. La recherche a été publiée le 29 octobre dans le Journal de l'American Chemical Society .

La recherche a commencé il y a plus de deux ans lorsque Hatzell et Medford ont commencé à collaborer sur un mystère des matériaux qui trouve son origine dans un article de 1941 publié par Seshacharyulu Dhar, un pédologue indien qui a signalé avoir observé une augmentation de l'ammoniac émis par le compost soumis à la lumière. Dhar a suggéré qu'une réaction photocatalytique avec des minéraux dans le compost pourrait être responsable de l'ammoniac.

Depuis ce papier, d'autres chercheurs ont signalé la fixation d'azote sur la production d'oxyde de titane et d'ammoniac, mais les résultats n'ont pas été systématiquement confirmés expérimentalement.

Medford, un théoricien, a travaillé avec l'assistant de recherche diplômé Benjamin Comer pour modéliser les voies chimiques qui seraient nécessaires pour fixer l'azote sur l'oxyde de titane afin de créer potentiellement de l'ammoniac à l'aide de réactions supplémentaires. Les calculs ont suggéré que le processus proposé était hautement improbable sur de l'oxyde de titane pur, et les chercheurs n'ont pas réussi à obtenir une subvention qu'ils avaient proposé d'utiliser pour étudier le mystérieux processus. Cependant, ils ont obtenu du temps d'expérimentation sur la source lumineuse avancée du laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie des États-Unis, ce qui leur a permis de tester enfin un élément clé de l'hypothèse.

L'équipement spécialisé du laboratoire a permis à Hatzell et à l'étudiant diplômé Yu-Hsuan Liu d'utiliser la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) pour examiner la surface de l'oxyde de titane sous forme d'azote, l'eau et l'oxygène ont interagi avec les surfaces sous une pression quasi-ambiante dans l'obscurité et à la lumière. En premier, les chercheurs n'ont vu aucune fixation photochimique de l'azote, mais au fur et à mesure que les expériences se poursuivaient, ils ont observé une interaction unique entre l'azote et l'oxyde de titane lorsque la lumière était dirigée vers la surface des minéraux.

Qu'est-ce qui explique le manque de résultats initial ? Hatzell et Medford pensent que la contamination de la surface par du carbone, probablement à partir d'un hydrocarbure, est une partie nécessaire du processus catalytique de réduction de l'azote sur l'oxyde de titane. "Avant de tester, les échantillons sont nettoyés pour éliminer la quasi-totalité des traces de carbone de la surface, Cependant, pendant les expériences, le carbone provenant de diverses sources (gaz et chambre à vide) peut introduire des traces de carbone dans l'échantillon, " expliqua Hatzell. " Ce que nous avons observé, c'est que les espèces à azote réduit n'étaient détectées que s'il y avait un degré de carbone sur l'échantillon. "

L'hypothèse de la contamination par les hydrocarbures expliquerait pourquoi des recherches antérieures avaient fourni des résultats incohérents. Le carbone est toujours présent à l'état de traces sur l'oxyde de titane, mais obtenir la bonne quantité et le bon type peut être la clé pour que la réaction hypothétique fonctionne.

"Nous pensons que cela explique les résultats déroutants qui ont été rapportés dans la littérature, et nous espérons qu'il donne un aperçu de la façon de concevoir de nouveaux catalyseurs à l'aide de ce mystère vieux de 75 ans, " Medford a déclaré. "Souvent, les meilleurs catalyseurs sont des matériaux qui sont très vierges et fabriqués dans une salle blanche. Ici, vous avez exactement le contraire - cette réaction a en fait besoin des impuretés, ce qui pourrait être bénéfique pour des applications durables dans l'agriculture.

Les chercheurs espèrent confirmer expérimentalement le rôle du carbone avec des tests à venir au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), ce qui leur permettra de sonder directement le carbone lors du processus de fixation photocatalytique de l'azote. Ils espèrent également en savoir plus sur le mécanisme catalytique afin de mieux contrôler la réaction pour améliorer l'efficacité, qui est actuellement inférieur à un pour cent.

La recherche rapportée dans le journal n'a pas mesuré l'ammoniac, mais Hatzell et ses étudiants l'ont depuis détecté dans des tests à l'échelle du laboratoire. Étant donné que l'ammoniac est actuellement produit à de si faibles niveaux, les chercheurs ont dû prendre des précautions pour éviter la contamination à base d'ammoniac. "Même le ruban utilisé sur l'équipement peut créer de petites quantités d'ammoniac qui peuvent affecter les mesures, " a ajouté Medford.

Bien que les quantités d'ammoniac produites par la réaction soient actuellement faibles, Hatzell et Medford pensent qu'avec des améliorations de processus, les avantages de la production d'engrais sur place dans des conditions bénignes pourraient surmonter cette limitation.

"Bien que cela puisse sembler ridicule d'un point de vue pratique au début, si vous regardez réellement les besoins du problème et le fait que la lumière du soleil et l'azote de l'air sont gratuits, sur la base des coûts, cela commence à sembler plus intéressant, " a déclaré Medford. " Si vous pouviez exploiter une installation de production d'ammoniac à petite échelle avec une capacité suffisante pour une ferme, vous avez immédiatement fait la différence."

Hatzell attribue à la science des surfaces de pointe le fait d'avoir finalement fourni une explication au mystère.

« Depuis que les enquêteurs précédents ont examiné cela, il y a eu des avancées significatives dans le domaine de la mesure et de la science des surfaces, " dit-elle. " La plupart des mesures de la science des surfaces nécessitent l'utilisation de conditions de vide ultra-élevé qui n'imitent pas l'environnement catalytique que vous souhaitez étudier. Le XPS à pression proche de l'ambiante au laboratoire national de Lawrence Berkeley, nous a permis de faire un pas de plus vers l'observation de cette réaction dans son environnement d'origine."