L'azote est un nutriment essentiel pour la croissance des plantes. Alors qu'environ 80% de la terre est de l'azote, il est principalement contenu dans l'atmosphère sous forme de gaz, et donc, inaccessibles aux plantes. Pour booster la croissance des plantes, surtout en milieu agricole, donc, des engrais chimiques azotés sont nécessaires. Une étape cruciale dans la production de ces engrais est la synthèse d'ammoniac, qui implique une réaction entre l'hydrogène et l'azote en présence d'un catalyseur.

Traditionnellement, la production d'ammoniac a été réalisée par le procédé "Haber-Bosch", lequel, malgré son efficacité, nécessite des conditions de température élevée (400-500°C), rendant le processus coûteux. Par conséquent, les scientifiques ont essayé de trouver un moyen de réduire les températures de réaction de la synthèse de l'ammoniac.

Récemment, les scientifiques ont signalé que le ruthénium, un métal de transition, était un "catalyseur" efficace pour la synthèse de l'ammoniac, car il fonctionne dans des conditions plus douces que les catalyseurs traditionnels à base de fer. Cependant, il y a une mise en garde :les molécules d'azote doivent adhérer à la surface du catalyseur pour subir une dissociation en atomes avant de réagir avec l'hydrogène pour former de l'ammoniac. Pour le ruthénium, cependant, la basse température fait souvent adhérer les molécules d'hydrogène à sa surface à la place - un processus appelé empoisonnement à l'hydrogène - qui empêche la production d'ammoniac. Pour travailler le ruthénium, donc, il est nécessaire de supprimer son empoisonnement à l'hydrogène.

Heureusement, certains matériaux peuvent augmenter l'activité catalytique du ruthénium lorsqu'il est utilisé comme "support de catalyseur". Une équipe de scientifiques de Tokyo Tech, Japon, a récemment révélé que les matériaux d'hydrure de lanthanide de la forme LnH 2+x est l'un de ces groupes de supports. « Les performances catalytiques améliorées sont obtenues grâce à deux propriétés uniques du matériau de support. Premièrement, ils donnent des électrons, qui guident la dissociation de l'azote à la surface du ruthénium. Seconde, ces électrons se combinent avec l'hydrogène à la surface pour former des ions hydrure, qui réagissent facilement avec l'azote pour former de l'ammoniac et libérer les électrons, supprimer l'empoisonnement à l'hydrogène du ruthénium, " explique le professeur associé Maasaki Kitano, qui a dirigé l'étude.

Soupçonnant que la mobilité des ions hydrure pourrait avoir un rôle à jouer dans la synthèse de l'ammoniac, l'équipe, dans une nouvelle étude publiée dans Matériaux énergétiques avancés, ont étudié les performances des oxyhydrures de lanthanide (LaH 3-2x Ox) - des conducteurs d'ions hydrure rapides à 100-400°C - comme matériau de support pour le ruthénium, dans le but de découvrir la relation entre la synthèse d'ammoniac et la mobilité des ions hydrure.

Ils ont découvert que si la conductivité des ions hydrure "en vrac" avait peu d'incidence sur l'activation de la synthèse d'ammoniac, la mobilité de surface ou "locale" des ions hydrure a joué un rôle crucial dans la catalyse en aidant à construire une forte résistance contre l'empoisonnement par l'hydrogène du ruthénium. Ils ont également constaté que, par rapport à d'autres supports, les oxyhydrures de lanthane nécessitaient une température de début plus basse pour la formation d'ammoniac (160°C) et présentaient une activité catalytique plus élevée.

Par ailleurs, l'équipe a observé que la présence d'oxygène stabilisait la charpente oxyhydrure et les ions hydrure contre la nitruration - la transformation de l'oxyhydrure de lanthane en nitrure de lanthane et sa désactivation ultérieure - qui tend à entraver la catalyse et constitue un inconvénient majeur dans l'utilisation de matériaux de support hydrure. "La résistance à la nitruration est un énorme avantage car elle aide à préserver la capacité de don d'électrons des ions hydrure pour une durée plus longue de la réaction, " commente le Pr Kitano.

Les performances catalytiques supérieures et la température de début de synthèse inférieure obtenues à l'aide d'oxyhydrures de lanthanide pourraient donc être la solution très recherchée pour réduire la chaleur de la production d'ammoniac.