Les pérovskites sont une classe de matériaux synthétiques qui ont une structure cristalline similaire à celle du titanate de calcium minéral naturel. Ils ont fait l'objet de nombreuses études car ils présentent des propriétés passionnantes et uniques qui peuvent être ajustées en fonction de leur composition. L'une de leurs applications potentielles est celle de catalyseurs pour la synthèse d'ammoniac. En d'autres termes, Des pérovskites spécifiques peuvent être placées à l'intérieur d'une chambre de réaction avec de l'azote et de l'hydrogène pour favoriser la réaction de ces gaz pour former de l'ammoniac.

L'ammoniac est une substance utile qui peut être utilisée dans la production d'engrais et de produits chimiques artificiels, et même comme vecteur d'énergie propre sous forme d'hydrogène, qui peut être la clé des technologies respectueuses de l'environnement. Cependant, il existe divers défis associés à la synthèse de l'ammoniac et des pérovskites eux-mêmes.

La vitesse de synthèse de l'ammoniac est généralement limitée par la forte énergie nécessaire à la dissociation des molécules d'azote. Certains chercheurs ont eu un certain succès en utilisant des métaux précieux tels que le ruthénium. Récemment, les pérovskites avec certains de leurs atomes d'oxygène remplacés par des ions d'hydrogène et d'azote ont été développées comme catalyseurs efficaces pour la synthèse d'ammoniac. Cependant, la synthèse traditionnelle des pérovskites avec de telles substitutions doit généralement être effectuée à haute température (plus de 800 degrés Celsius) et sur de longues périodes (semaines).

Pour résoudre ces problèmes, dans une étude récente réalisée à Tokyo Tech, un groupe de chercheurs dirigé par le professeur Masaaki Kitano a mis au point une nouvelle méthode pour la synthèse à basse température de l'une de ces pérovskites substituées par de l'oxygène portant le nom chimique BaCeO 3-x N oui H z et testé ses performances en tant que catalyseur pour produire de l'ammoniac. Pour y parvenir, ils ont apporté une modification innovante au processus de synthèse de la pérovskite. L'utilisation du carbonate de baryum et du dioxyde de cérium comme précurseurs implique une température très élevée, ce qui est nécessaire pour les combiner dans la pérovskite de base, ou BaCeO 3 , car le carbonate de baryum est très stable. En outre, il est nécessaire de substituer les atomes d'oxygène par des ions d'azote et d'hydrogène. D'autre part, l'équipe a découvert que le composé amide de baryum réagit facilement avec le dioxyde de cérium sous un flux de gaz ammoniac pour former directement BaCeO 3-x N oui H z à basse température et en moins de temps. "C'est la première démonstration d'une synthèse bottom-up d'un tel matériau, dénommé oxynitrure-hydrure de type pérovskite, " explique le Pr Kitano.

Les chercheurs ont d'abord analysé la structure de la pérovskite obtenue grâce au procédé proposé, puis ont testé ses propriétés catalytiques pour la synthèse à basse température de l'ammoniac dans diverses conditions. Non seulement le matériau proposé a surpassé la plupart des concurrents de pointe lorsqu'il est combiné avec du ruthénium, mais il les a également largement dépassés lorsqu'il est combiné avec des métaux moins chers tels que le cobalt et le fer. Cela représente des avantages considérables en termes de performances et de coût associé.

Finalement, les chercheurs ont tenté d'élucider les mécanismes à l'origine de l'amélioration du taux de synthèse de l'ammoniac. Globalement, les informations fournies dans cette étude servent de protocole pour la synthèse d'autres types de matériaux avec des substitutions d'ions d'azote et d'hydrogène et pour la conception intelligente de catalyseurs. "Nos résultats ouvriront la voie à de nouvelles stratégies de conception de catalyseurs pour la synthèse d'ammoniac à basse température, " conclut le professeur Kitano. Ces découvertes rendront, espérons-le, la synthèse de matériaux utiles plus propre et plus économe en énergie.

L'étude est publiée dans le Journal de la société chimique américaine .