Plus de 100 ans après l'introduction du procédé Haber-Bosch, les scientifiques continuent de rechercher d'autres voies de production d'ammoniac moins énergivores. Des scientifiques chinois ont maintenant découvert que le phosphore noir est un excellent catalyseur pour l'électroréduction de l'azote en ammoniac. Selon leur étude publiée dans la revue Angewandte Chemie , les nanofeuillets de phosphore noir en couches sont un catalyseur hautement sélectif et efficace dans ce processus.

L'ammoniac est une matière première essentielle dans tous les domaines industriels, de l'agriculture à la chimie fine et à l'industrie pharmaceutique. Depuis plus d'un siècle, il a été synthétisé industriellement par le procédé Haber-Bosch, dans lequel l'azote de l'air est réduit avec de l'hydrogène ou un gaz de synthèse sous pression et température élevées sur un catalyseur de métal de transition. Cependant, la demande énergétique de ce procédé est si élevée qu'un à deux pour cent de l'approvisionnement énergétique mondial est consacré à la production industrielle d'ammoniac.

Les chercheurs sont à la recherche d'alternatives plus douces, qui emploient des catalyseurs fonctionnant dans des conditions ambiantes. Des alternatives sans métal sont particulièrement souhaitables. Un candidat très intéressant est le phosphore dans sa plus faible réactivité, forme non toxique :phosphore noir. Ce matériau est une étoile montante dans les applications électroniques en raison de son apparence métallique et de ses propriétés électroniques inhabituelles. De plus, sa structure en feuille bidimensionnelle plissée peut fournir les bords et les sites nécessaires à l'adsorption et à l'activation moléculaire.

Avec cette idée en tête, chercheur Haihui Wang à l'Université de technologie de Chine du Sud, Canton, Chine, et collègues, couches minces préparées de phosphore noir en vrac, "par une méthode d'exfoliation liquide facile, " comme indiqué dans leur publication. Les nanofeuillets de catalyseur ont été inclus dans une électrode en fibre de carbone pour l'électrolyse. Pour fournir un approvisionnement en azote, une solution d'électrolyte de chlorhydrate a été saturée d'azote.

A l'application d'une tension, l'électrode produit facilement et sélectivement de l'ammoniac à partir d'azote, et le phosphore noir en couches a même surpassé "la plupart des catalyseurs non métalliques et à base de métal signalés à l'heure actuelle, " ajoutent les auteurs. L'extraordinaire activité et sélectivité de ce matériau s'explique par la structure et l'énergétique des feuillets de phosphore.

Qu'est-ce que le phosphore a de si spécial ? Avec des calculs théoriques, les auteurs ont constaté que la disposition en zigzag dans les couches de phosphore, contrairement à d'autres matériaux stratifiés ou plats, fourni des sites idéaux pour l'adsorption d'azote et la structure électronique sur les bords était la mieux adaptée pour la liaison, activation, et la réduction de l'azote par une voie à faible énergie.

Après avoir expliqué l'activité et la sélectivité extraordinaires du catalyseur au phosphore noir en couches, les auteurs admettent que malgré la stabilité généralement bonne du phosphore noir dans les conditions ambiantes, ses performances déclinent à long terme en raison de l'oxydation. "Ainsi, des améliorations supplémentaires dans la prévention de la dégradation du phosphore noir dans l'électrolyte seront bénéfiques, " ont-ils conclu.

Ces travaux ouvrent une application nouvelle et attrayante pour le phosphore noir. Dans la réduction électrocatalytique de l'azote, les performances du phosphore noir sont supérieures aux autres catalyseurs non métalliques et même métalliques, suggérant que ce matériau pourrait bientôt jouer un rôle plus important dans l'électrocatalyse. À l'heure, peut-être même le processus Haber-Bosch aura-t-il un concurrent.