Des ingénieurs de l'Université de l'Illinois à Chicago ont créé une réaction électrochimique à énergie solaire qui utilise non seulement les eaux usées pour fabriquer de l'ammoniac, le deuxième produit chimique le plus produit au monde, mais permet également d'obtenir un rendement solaire-carburant 10 fois supérieur à toute autre technologie comparable.

Leurs conclusions sont publiées dans Sciences de l'énergie et de l'environnement , une revue de premier plan pour la recherche à l'intersection de la fourniture d'énergie et de la protection de l'environnement.

"Cette technologie et notre méthode ont un grand potentiel pour permettre la synthèse à la demande d'engrais et pourraient avoir un impact immense sur les secteurs agricole et énergétique dans les pays développés et en développement, et sur les efforts visant à réduire les gaz à effet de serre provenant des combustibles fossiles, " a déclaré le chercheur principal Meenesh Singh, professeur assistant de génie chimique à l'UIC College of Engineering.

Ammoniac, une combinaison d'un atome d'azote et de trois atomes d'hydrogène, est un composé clé des engrais et de nombreux produits manufacturés, comme les plastiques et les produits pharmaceutiques. Les méthodes actuelles de fabrication d'ammoniac à partir d'azote nécessitent d'énormes quantités de chaleur, générés par la combustion de combustibles fossiles, pour briser les liaisons fortes entre les atomes d'azote afin qu'ils puissent se lier à l'hydrogène. Ce processus centenaire produit une fraction substantielle des émissions mondiales de gaz à effet de serre, qui sont une force motrice du changement climatique.

Précédemment, Singh et ses collègues ont mis au point une méthode respectueuse de l'environnement pour fabriquer de l'ammoniac en filtrant l'azote pur à travers un appareil chargé électriquement, tamis à mailles recouvert de catalyseur dans une solution à base d'eau. Cette réaction n'a utilisé qu'une infime quantité d'énergie fossile pour électrifier l'écran, qui brise les atomes d'azote, mais il produisait plus d'hydrogène gazeux (80 %) que d'ammoniac (20 %).

Maintenant, les chercheurs ont amélioré ce concept et développé une nouvelle méthode qui utilise le nitrate, l'un des contaminants les plus courants des eaux souterraines, fournir de l'azote et de la lumière du soleil pour électrifier la réaction. Le système produit près de 100 % d'ammoniac avec presque aucune réaction secondaire à l'hydrogène gazeux. La réaction n'a pas besoin de combustibles fossiles et ne produit pas de dioxyde de carbone ou d'autres gaz à effet de serre, et son utilisation de l'énergie solaire donne une efficacité solaire-carburant sans précédent, ou STF, de 11%, ce qui est 10 fois meilleur que tout autre système de pointe pour produire de l'ammoniac (environ 1% STF).

La nouvelle méthode repose sur un catalyseur au cobalt, que les chercheurs décrivent avec le nouveau processus dans leur article, "Synthèse électrochimique à énergie solaire d'ammoniac à l'aide de nitrate avec un rendement solaire-carburant de 11 % dans des conditions ambiantes."

Pour identifier le catalyseur, les chercheurs ont d'abord appliqué la théorie informatique pour prédire quel métal fonctionnerait le mieux. Après avoir identifié le cobalt à travers ces modèles, l'équipe a expérimenté le métal, essayer différentes manières d'optimiser son activité dans la réaction. Les chercheurs ont découvert qu'une surface de cobalt rugueuse dérivée de l'oxydation fonctionnait mieux pour créer une réaction sélective, ce qui signifie qu'il a converti presque toutes les molécules de nitrate en ammoniac.

"Trouver un actif, sélectif, et un catalyseur stable qui a fonctionné dans un système à énergie solaire est une preuve puissante qu'une synthèse durable d'ammoniac à l'échelle industrielle est possible, " a déclaré Singh.

Non seulement la réaction elle-même est neutre en carbone, ce qui est bon pour l'environnement, mais si le système est développé pour un usage industriel, il peut aussi avoir un quasi-net-négatif, effet réparateur sur l'environnement.

« L'utilisation du nitrate des eaux usées signifie que nous devons également éliminer le contaminant des eaux de surface et souterraines. Au fil du temps, cela signifie que le procédé peut simultanément aider à corriger les déchets industriels et les eaux de ruissellement et à rééquilibrer le cycle de l'azote, en particulier dans les zones rurales qui peuvent subir des désavantages économiques ou supporter le plus grand risque d'une exposition élevée à un excès de nitrate, " a déclaré Singh.

Une exposition élevée aux nitrates par l'eau potable a été associée à des problèmes de santé comme le cancer, maladie thyroïdienne, naissance prématurée, et un faible poids à la naissance.

"Nous sommes tous très heureux de cette réalisation, et nous ne nous arrêtons pas là. Nous espérons que nous aurons bientôt un prototype plus grand avec lequel nous pourrons tester une échelle beaucoup plus grande, " dit Singh, qui collabore déjà avec des corporations municipales, centres de traitement des eaux usées, et d'autres dans l'industrie à développer davantage le système.

Un brevet pour le nouveau procédé a été déposé par l'Office of Technology Management de l'UIC.

Les co-auteurs de l'article sont Nishithan Kani et Aditya Parajapati de l'UIC, Joseph Gauthier de la Texas Tech University, Jane Edgington et Linsey Seitz de l'Université Northwestern, Isha Bordawekar de l'école secondaire du canton de Warren, Windom Shields et Mitchell Shields de Worldwide Liquid Sunshine, et Aayush Singh de Dow Inc.