L'ammoniac - un gaz incolore essentiel pour des choses comme les engrais - peut être fabriqué par un nouveau procédé qui est beaucoup plus propre, plus facile et moins cher que la principale méthode actuelle. Les chercheurs d'UTokyo utilisent des équipements de laboratoire facilement disponibles, des produits chimiques recyclables et un minimum d'énergie pour produire de l'ammoniac. Leur processus de production d'ammoniac samarium-eau (SWAP) promet de réduire la production d'ammoniac et d'améliorer l'accès aux engrais à base d'ammoniac pour les agriculteurs du monde entier.

En 1900, la population mondiale était inférieure à 2 milliards, alors qu'en 2019, c'est plus de 7 milliards. Cette explosion démographique a été alimentée en partie par les progrès rapides de la production alimentaire, en particulier l'utilisation généralisée d'engrais à base d'ammoniac. La source de cet ammoniac était le procédé Haber-Bosch, et bien que certains disent que c'est l'une des réalisations les plus importantes de tous les temps, il vient avec un prix lourd.

Le processus Haber-Bosch ne convertit que 10 pour cent de son matériau source par cycle et doit donc être exécuté plusieurs fois pour tout utiliser. L'une de ces matières premières est l'hydrogène (H 2 ) produites à partir de combustibles fossiles. Ceci est chimiquement combiné avec de l'azote (N 2 ) à des températures d'environ 400-600 degrés Celsius et des pressions d'environ 100-200 atmosphères, également à un coût énergétique élevé. Le professeur Yoshiaki Nishibayashi et son équipe du département d'innovation des systèmes de l'Université de Tokyo espèrent améliorer la situation avec leur processus SWAP.

"À l'échelle mondiale, le procédé Haber-Bosch consomme 3 à 5 % de tout le gaz naturel produit, environ 1 ou 2 pour cent de l'approvisionnement énergétique mondial, " expliqua Nishibayashi. " En revanche, les légumineuses ont des bactéries symbiotiques fixatrices d'azote qui produisent de l'ammoniac aux températures et pressions atmosphériques. Nous avons isolé ce mécanisme et procédé à l'ingénierie inverse de son composant fonctionnel, la nitrogénase."

Depuis de nombreuses années, Nishibayashi et son équipe ont utilisé des catalyseurs fabriqués en laboratoire pour essayer de reproduire le comportement de la nitrogénase. D'autres ont essayé mais leurs catalyseurs ne produisent que des dizaines à plusieurs centaines de molécules d'ammoniac avant leur expiration. Le catalyseur spécial à base de molybdène de Nishibayashi produit 4, 350 molécules d'ammoniac en quatre heures environ avant son expiration.

"Notre processus SWAP crée de l'ammoniac à 300-500 fois le taux du processus Haber-Bosch et à 90 pour cent d'efficacité, " a poursuivi Nishibayashi. " Prenez en compte les économies d'énergie gargantuesques dans le processus et l'approvisionnement en matières premières et les avantages sont vraiment visibles. "

Toute personne disposant des matériaux sources appropriés peut effectuer SWAP sur un laboratoire de chimie de table, alors que le procédé Haber-Bosch nécessite un équipement industriel à grande échelle. Cela pourrait permettre à ceux qui n'ont pas le capital d'investir dans des projets aussi vastes et matériel coûteux. Les matières premières elles-mêmes sont une économie énorme en termes de coût et d'énergie.

"Une forte motivation était de rendre le processus SWAP possible à l'échelle du bureau. J'espère voir ce processus démocratiser la production d'engrais, " a déclaré Nishibayashi. " Il ne s'agit donc pas seulement des coûts initiaux, mais aussi des économies continues de coûts et d'énergie des matières premières. Mon équipe propose cette idée pour aider les pratiques agricoles dans les endroits qui en ont le plus besoin."

SWAP absorbe l'azote (N 2 ) de l'air, comme le fait le procédé Haber-Bosch, mais le catalyseur spécial à base de molybdène le combine avec des protons (H ⁺ ) de l'eau et des électrons (e ^- ) de samarium (SmI 2 ). Le samarium, également connu sous le nom de réactif de Kagan, est actuellement extrait et utilisé dans le processus SWAP. Cependant, le samarium peut être recyclé avec de l'électricité pour reconstituer ses électrons perdus et les chercheurs visent à utiliser des sources renouvelables bon marché pour cela à l'avenir.

« J'ai été agréablement surpris lorsque nous avons découvert que quelque chose d'aussi commun que l'eau pouvait servir de source de protons ; un catalyseur au molybdène ne le permet normalement pas, mais le nôtre est spécial, " a conclu Nishibayashi. " C'est la première réaction artificielle de fixation d'azote à atteindre un taux proche de celui que nous voyons produire la nitrogénase dans la nature. Et comme le processus naturel, c'est passif, trop, donc mieux pour l'environnement. J'espère que le travail de ma vie pourra être d'une grande utilité pour l'humanité."

L'étude est publiée dans La nature .