La plupart des engrais du monde sont produits dans de grandes usines de fabrication, qui nécessitent d'énormes quantités d'énergie pour générer les températures et les pressions élevées nécessaires pour combiner l'azote et l'hydrogène en ammoniac.

Les ingénieurs chimistes du MIT travaillent à développer une alternative à plus petite échelle, qu'ils envisagent pourraient être utilisés pour produire localement des engrais pour les agriculteurs des régions éloignées, zones rurales, comme l'Afrique subsaharienne. L'engrais est souvent difficile à obtenir dans ces régions en raison du coût de son transport depuis les grandes installations de fabrication.

Dans un pas vers ce genre de production à petite échelle, l'équipe de recherche a mis au point un moyen de combiner l'hydrogène et l'azote en utilisant le courant électrique pour générer un catalyseur au lithium, où la réaction a lieu.

"À l'avenir, si nous imaginons comment nous voulons que cela soit utilisé un jour, nous voulons un appareil qui puisse respirer de l'air, prendre de l'eau, y brancher un panneau solaire, et être capable de produire de l'ammoniac. Cela pourrait être utilisé par un agriculteur ou une petite communauté d'agriculteurs, " dit Karthish Manthiram, professeur adjoint de génie chimique au MIT et auteur principal de l'étude.

L'étudiant diplômé Nikifar Lazouski est l'auteur principal de l'article, qui apparaît aujourd'hui dans Catalyse naturelle . Les autres auteurs incluent les étudiants diplômés Minju Chung et Kindle Williams, et Michal Gala de premier cycle.

À plus petite échelle

Depuis plus de 100 ans, l'engrais a été fabriqué selon le procédé Haber-Bosch, qui combine l'azote atmosphérique avec de l'hydrogène gazeux pour former de l'ammoniac. L'hydrogène gazeux utilisé pour ce procédé est généralement obtenu à partir de méthane dérivé du gaz naturel ou d'autres combustibles fossiles. L'azote est très peu réactif, des températures élevées (500 degrés Celsius) et des pressions (200 atmosphères) sont donc nécessaires pour le faire réagir avec l'hydrogène pour former de l'ammoniac.

En utilisant ce processus, les usines de fabrication peuvent produire des milliers de tonnes d'ammoniac par jour, mais leur fonctionnement est coûteux et ils émettent beaucoup de dioxyde de carbone. Parmi tous les produits chimiques produits en grande quantité, l'ammoniac est le principal contributeur aux émissions de gaz à effet de serre.

L'équipe du MIT a entrepris de développer une méthode de fabrication alternative qui pourrait réduire ces émissions, avec l'avantage supplémentaire d'une production décentralisée. Dans de nombreuses régions du monde, il y a peu d'infrastructures pour la distribution d'engrais, ce qui rend coûteux l'obtention d'engrais dans ces régions.

« La caractéristique idéale d'une méthode de fabrication d'ammoniac de nouvelle génération serait qu'elle soit distribuée. En d'autres termes, vous pourriez faire de l'ammoniac près de l'endroit où vous en avez besoin, " dit Manthiram. " Et idéalement, cela éliminerait également le CO 2 empreinte qui existe autrement."

Alors que le procédé Haber-Bosch utilise une chaleur et une pression extrêmes pour forcer l'azote et l'hydrogène à réagir, l'équipe du MIT a décidé d'essayer d'utiliser l'électricité pour obtenir le même effet. Des recherches antérieures ont montré que l'application d'une tension électrique peut déplacer l'équilibre de la réaction de sorte qu'elle favorise la formation d'ammoniac. Cependant, il a été difficile de le faire d'une manière peu coûteuse et durable, disent les chercheurs.

La plupart des efforts précédents pour effectuer cette réaction sous des températures et des pressions normales ont utilisé un catalyseur au lithium pour briser la forte triple liaison trouvée dans les molécules d'azote gazeux. Le produit résultant, nitrure de lithium, peut alors réagir avec les atomes d'hydrogène d'un solvant organique pour produire de l'ammoniac. Cependant, le solvant généralement utilisé, tétrahydrofurane, ou THF, est cher et est consommé par la réaction, il doit donc être continuellement remplacé.

L'équipe du MIT a trouvé un moyen d'utiliser l'hydrogène gazeux au lieu du THF comme source d'atomes d'hydrogène. Ils ont conçu une électrode en forme de maille qui permet à l'azote gazeux de se diffuser à travers elle et d'interagir avec l'hydrogène, qui est dissous dans l'éthanol, à la surface de l'électrode.

Cet acier inoxydable, la structure de maille est enduite du catalyseur au lithium, produit par placage d'ions lithium à partir d'une solution. L'azote gazeux diffuse à travers le maillage et est converti en ammoniac par une série d'étapes de réaction médiées par le lithium. Cette configuration permet à l'hydrogène et à l'azote de réagir à des vitesses relativement élevées, malgré le fait qu'ils ne soient généralement pas très solubles dans les liquides, ce qui rend plus difficile de les réagir à des taux élevés.

"Ce tissu en acier inoxydable est un moyen très efficace de mettre en contact de l'azote gazeux avec notre catalyseur, tout en disposant des connexions électriques et ioniques nécessaires, " dit Lazouski.

Fractionnement de l'eau

Dans la plupart de leurs expériences de production d'ammoniac, les chercheurs ont utilisé des gaz d'azote et d'hydrogène provenant d'une bouteille de gaz. Cependant, ils ont également montré qu'ils pouvaient utiliser l'eau comme source d'hydrogène, en électrolysant d'abord l'eau puis en faisant couler cet hydrogène dans leur réacteur électrochimique.

Le système global est assez petit pour s'asseoir sur une paillasse de laboratoire, mais il pourrait être étendu pour produire de plus grandes quantités d'ammoniac en connectant de nombreux modules ensemble, dit Lazouski. Un autre défi majeur sera d'améliorer l'efficacité énergétique de la réaction, qui n'est plus que d'environ 2 %, contre 50 à 80 pour cent pour la réaction de Haber-Bosch.

"Nous avons une réaction globale qui s'annonce finalement favorable, ce qui est un grand pas en avant, " dit-il. " Mais nous savons qu'il y a toujours un problème de perte d'énergie qui doit être résolu. Ce sera l'une des principales choses que nous voulons aborder dans les futurs travaux que nous entreprendrons. »

En plus de servir de méthode de production pour de petits lots d'engrais, cette approche pourrait également se prêter au stockage d'énergie, dit Manthiram. Cette idée, qui est maintenant poursuivi par certains scientifiques, appelle à utiliser l'électricité produite par l'énergie éolienne ou solaire pour alimenter la production d'ammoniac. L'ammoniac pourrait alors servir de combustible liquide qui serait relativement facile à stocker et à transporter.

"L'ammoniac est une molécule si critique qui peut porter de nombreux chapeaux différents, et ce même procédé de production d'ammoniac pourrait être utilisé dans des applications très diverses, " dit Manthiram.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.