Sans doute le progrès industriel le plus important (si ce n'est le moins connu) du 20e siècle, le procédé de synthèse d'ammoniac Haber-Bosch a essentiellement vaincu la pénurie alimentaire en créant les moyens de produire en masse des engrais, des engrais ensuite utilisés pour enrichir les récoltes alimentaires dans le monde entier.

Mais la production d'ammoniac, la pierre angulaire des engrais à base de nitrate d'ammonium, génère un sous-produit problématique sur toute la ligne :le dioxyde de carbone. Beaucoup :plus de deux tonnes de carbone pour chaque tonne d'engrais. Il représente environ 1,4% des émissions mondiales de dioxyde de carbone. Donc, tandis que le processus a contré la famine de masse, il a également commencé à augmenter la charge de gaz à effet de serre de la planète.

L'un des principaux objectifs pour les scientifiques d'aujourd'hui est de découpler la production alimentaire du carbone. En partie, cela signifie trouver un moyen de produire des engrais grâce à la synthèse d'ammoniac sans carbone. Est-ce possible sans Haber-Bosch ?

Paul Chirik, le professeur Edwards S. Sanford en chimie, a franchi une étape importante vers cette possibilité avec un approche fondamentale de la synthèse des liaisons chimiques. Lui et les chercheurs de son laboratoire utilisent la lumière visible pour entraîner la formation de liaisons élément-hydrogène faibles, qui sont au cœur du défi tant ils sont difficiles à réaliser.

Le papier de preuve de concept du laboratoire, publié ce mois-ci dans Chimie de la nature , présente une méthode simple qui consiste à faire briller de la lumière bleue sur un catalyseur à l'iridium pour permettre la formation de liaisons faibles à ou près du potentiel thermodynamique, c'est-à-dire sans dépenses massives d'énergie, sans sous-produit de carbone.

"La grande percée ici est de pouvoir prendre la lumière puis de favoriser une réaction chimique pour créer un lien vraiment faible, que vous ne pourriez pas faire sans un stimulus externe, " dit Chirik. " Dans le passé, ce stimulus a été associé à la production de déchets ou à la consommation d'électricité. Ici, nous le faisons avec la lumière.

"Nous avons ce monde de catalyseurs métalliques qui ont fait des choses incroyables - ils ont fait de l'ammoniac, ils ont fait de la drogue, ils ont fait des polymères. Maintenant, nous pouvons faire encore plus avec eux lorsque nous commençons à regarder ce qui se passe lorsque ces catalyseurs absorbent la lumière, " ajouta-t-il. " Alors, vous prenez quelque chose qui a fait une chimie vraiment cool auparavant et vous le mélangez avec 50 kilocalories supplémentaires.

« Tout un monde s'ouvre. Soudain, il y a une nouvelle classe de réactions que nous pouvons penser à faire."

Fais briller une lumière

Les liaisons E-H sont simplement un moyen de désigner les liaisons que vous pourriez établir entre l'hydrogène et un autre élément. Les forces de liaison E-H dépendent fortement de la structure chimique de chaque élément, mais bon nombre de ces liaisons sont faibles, instables et enclins à se briser facilement et à former de l'hydrogène (H 2 ). La plupart des réactions chimiques sont entraînées par la formation de liaisons fortes, car l'énergie est libérée lorsque des produits plus stables sont formés. C'est l'assemblage de liaisons faibles qui pose le défi.

Le laboratoire Chirik a trouvé un moyen de créer une liaison faible en éclairant un catalyseur; dans ce cas, iridium.

Voici comment cela fonctionne :les chercheurs ont choisi une molécule organique représentative, anthracène, qui agit comme une sorte de plate-forme sur laquelle la chimie a lieu à l'intérieur du ballon de réaction. La lumière bleue brillante sur l'iridium à l'intérieur du flacon le rend "excité, " ce qui signifie qu'il a de l'énergie pour conduire la réaction. Dans cet état, il heurte la molécule d'anthracène et transfère un atome d'hydrogène pour créer une liaison faible. Le catalyseur à l'iridium active alors l'hydrogène gazeux, terminer le cycle.

L'utilisation d'hydrogène gazeux au lieu de sources d'hydrogène à base de carbone - largement utilisées dans la synthèse organique dans le passé - constitue potentiellement un moyen durable de créer des liaisons chimiques faibles sans générer de sous-produit carboné.

Parc Yoonsu, un associé de recherche postdoctoral dans le laboratoire de Chirik et auteur principal de l'article, et Sangmin Kim, un doctorat 2021 diplômé du laboratoire, a eu l'idée d'utiliser la photochimie en examinant les liaisons faibles qui apparaissent dans d'autres réactions et en extrapolant leurs leçons. Deux autres auteurs sur le papier-Greg Scholes, le professeur de chimie William S. Tod, et son étudiant diplômé, Lei Tian, ​​ont contribué à mieux comprendre le rôle de la lumière bleue à l'aide de diverses expériences au laser.

Park a également déterminé quel catalyseur métallique dans la vaste étendue du tableau périodique serait le plus efficace pour effectuer la réaction souhaitée. Sautant du travail de laboratoire précédent effectué avec du rhodium - un autre rare, catalyseur métallique coûteux - il s'est rapidement concentré sur l'iridium.

Alors que les scientifiques ne sont pas encore prêts à larguer Haber-Bosch, la validation de principe du laboratoire Chirik est une première étape importante.

"Nous n'avons pas encore produit d'ammoniac par catalyse. Nous avons un long chemin à parcourir pour atteindre cet objectif, " dit Chirik. " Mais c'est cette idée d'apprendre à faire ces liens faibles qui est si importante.

"Ce que j'aime dans cette recherche, c'est c'est différent. C'est de la chimie fondamentale, aussi basique que possible. Personne n'ouvrira une usine sur cette recherche demain. Mais nous sommes vraiment enthousiasmés par le concept, et nous espérons vraiment que d'autres personnes feront cette chimie dans d'autres contextes."