Ammoniac, un composé synthétisé pour la première fois il y a environ un siècle, a des dizaines d'utilisations modernes et est devenu essentiel dans la fabrication de l'engrais qui soutient maintenant la majeure partie de notre production alimentaire mondiale.

Mais alors que nous produisons de l'ammoniac à grande échelle depuis les années 1930, il a été accompli principalement dans d'énormes usines chimiques nécessitant de grandes quantités d'hydrogène gazeux provenant de combustibles fossiles, faisant de l'ammoniac l'un des produits chimiques les plus énergivores parmi tous les produits chimiques à grand volume.

Deux chercheurs de la Case Western Reserve University, dont un expert en synthèse électrochimique, l'autre dans les applications des plasmas - travaillent à corriger cela.

Les chercheurs Julie Renner et Mohan Sankaran ont mis au point une nouvelle façon de créer de l'ammoniac à partir d'azote et d'eau à basse température et basse pression. Ils l'ont fait avec succès jusqu'à présent dans un laboratoire sans utiliser d'hydrogène ou le catalyseur métallique solide nécessaire dans les procédés traditionnels.

"Notre approche - un procédé électrolytique avec un plasma - est complètement nouvelle, " dit Mohan Sankaran, le professeur Goodrich d'innovation en ingénierie à la Case School of Engineering.

plasma, souvent appelé le quatrième état de la matière (en dehors du solide, liquide ou gazeux), sont des nuages ​​de gaz ionisés, constitué d'ions positifs et d'électrons libres, qui lui confèrent la capacité unique d'activer des liaisons chimiques, y compris la molécule d'azote plutôt difficile, à température ambiante.

Renner, Professeur Assistant Climo au Département de Génie Chimique et Biomoléculaire, ajouté que parce que ce nouveau processus n'a pas besoin de haute pression ou haute température ou d'hydrogène, cela le rend évolutif - "le type de technologie idéal pour une usine beaucoup plus petite, un avec un potentiel élevé pour être alimenté par des énergies renouvelables.

Les résultats de leur collaboration de deux ans ont été publiés ce mois-ci dans la revue Avancées scientifiques .

Leçon d'histoire :Le processus Haber-Bosch

Pratiquement tout l'ammoniac commercial est fabriqué à partir d'azote et d'hydrogène, à l'aide d'un catalyseur au fer à haute température et pression.

Le physicien-chimiste allemand Fritz Haber a reçu le prix Nobel de chimie en 1918 pour avoir développé ce procédé, ce qui a rendu la fabrication d'ammoniac économiquement faisable.

Mais le processus est devenu plus rentable sur le plan économique lorsque le chimiste industriel Carl Bosch (qui a également remporté un prix Nobel en 1931) a introduit la méthode dans un système à grande échelle. Le processus a encore été propulsé par une deuxième innovation :le développement du reformage du méthane à la vapeur qui a rendu l'hydrogène plus accessible et moins cher.

Donc, ce qui est devenu connu sous le nom de procédé Haber-Bosch est devenu la méthode mondiale de référence pour fixer l'azote et l'hydrogène afin de produire de l'ammoniac.

Mais Haber-Bosch n'a jamais été la seule approche de la fixation de l'azote, c'était juste le gagnant du début du siècle.

Un nouveau, l'ancienne méthode monte

Renner et Sankaran ont ressuscité un élément d'une méthode norvégienne peu connue qui a précédé Haber-Bosch (le processus Birkeland-Eyde) qui faisait réagir l'azote et l'oxygène pour produire des nitrates, un autre produit chimique qui peut être utilisé dans l'agriculture. Ce processus a perdu pour Haber-Bosch principalement parce qu'il nécessitait encore plus d'énergie sous forme d'électricité, une ressource limitée au début du 20e siècle.

"Notre approche est similaire à la synthèse électrolytique de l'ammoniac, qui a suscité l'intérêt comme alternative à Haber-Bosch car il peut être intégré aux énergies renouvelables, " dit Sankaran. " Cependant, comme le processus Birkeland-Eyde, nous utilisons un plasma, qui est énergivore. L'électricité reste un obstacle, mais moins maintenant, et avec l'augmentation des énergies renouvelables, ce ne sera peut-être plus du tout un obstacle à l'avenir.

"Et peut-être le plus important, notre procédé ne produit pas d'hydrogène gazeux, " Il a dit. " Cela a été le principal goulot d'étranglement d'autres approches électrolytiques pour former de l'ammoniac à partir d'eau (et d'azote), la formation indésirable d'hydrogène."

Le procédé Renner-Sankaran n'utilise pas non plus de catalyseur métallique solide, ce qui pourrait être l'une des raisons pour lesquelles l'ammoniac est obtenu à la place de l'hydrogène.

« Dans notre système, l'ammoniac se forme à l'interface d'un plasma gazeux et d'une surface d'eau liquide et se forme librement en solution, " a déclaré Sankaran.

Jusque là, les « lots de table » d'ammoniac produits par le duo ont été très faibles et l'efficacité énergétique est toujours inférieure à celle de Haber-Bosch. Mais avec une optimisation continue, leur découverte et le développement d'un nouveau procédé pourraient un jour conduire à de plus petites, des usines d'ammoniac plus localisées qui utilisent de l'énergie verte.