L'ammoniac est le point de départ des engrais qui ont assuré l'approvisionnement alimentaire mondial au cours du siècle dernier. C'est également un composant principal des produits de nettoyage, et est même considéré comme un futur remplacement sans carbone des combustibles fossiles dans les véhicules.
Mais la synthèse de l'ammoniac à partir de l'azote moléculaire est un processus industriel énergivore, en raison des températures et des pressions élevées auxquelles se déroule la réaction standard. Les scientifiques du laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab) disposent désormais d'une nouvelle façon de produire de l'ammoniac qui fonctionne à température et pression ambiantes.
Depuis 1909, la norme industrielle de synthèse de l'ammoniac implique la conversion de l'azote moléculaire (diazote, N2 ) via une réaction avec de l'hydrogène gazeux à l'aide de catalyseurs à base de métaux, connue sous le nom de procédé Haber-Bosch. Polly Arnold, scientifique senior et directrice de la division des sciences chimiques au laboratoire de Berkeley, a découvert qu'au lieu de cela, des catalyseurs fabriqués à partir d'une abondance de métaux dits des terres rares peuvent faciliter cette réaction à température ambiante.
"Personne ne s'attendait à ce que les métaux des terres rares effectuent cette réaction. Ils ont élargi notre arsenal de catalyseurs potentiels dans les conditions ambiantes", explique Arnold, qui est également professeur de chimie à l'UC Berkeley.
Les métaux des terres rares sont des éléments blancs argentés, mous et lourds qui composent tous les métaux non radioactifs du groupe situé au bas du tableau périodique et qui ont suscité beaucoup d'intérêt pour des applications dans l'électronique, les lasers et les matériaux magnétiques. .
"Malgré leur nom, les métaux des terres rares ne sont pas réellement rares", a déclaré Anthony Wong, chercheur postdoctoral dans le groupe d'Arnold à l'UC Berkeley et affilié à la division des sciences chimiques du laboratoire de Berkeley et auteur principal de l'article dans Chem Catalysis qui décrit le travail. "Certains sont presque aussi courants que le cuivre, et leurs sels sont moins toxiques que les métaux déjà utilisés en catalyse", a-t-il ajouté.
Ce qui est intéressant à propos des métaux des terres rares, d’un point de vue fondamental, c’est qu’ils possèdent un ensemble d’électrons supplémentaires que leurs homologues des métaux de transition ne possèdent pas. Cela leur confère des propriétés optomagnétiques intéressantes, mais les chimistes ne comprennent pas vraiment si et comment les électrons pourraient être utilisés dans des réactions. L'examen des réactions impliquant des métaux des terres rares est un outil intéressant pour comprendre leurs structures électroniques et comment leurs structures peuvent s'appliquer à une nouvelle réactivité.
On sait que les terres rares se lient à l’azote moléculaire depuis les années 1990. Cependant, jusqu'à présent, les chercheurs n'ont pas été en mesure de les utiliser pour créer des produits chimiques fonctionnalisés par l'azote comme l'ammoniac ou des amines de manière catalytique à partir de N2. .
Wong, Arnold et leurs collègues ont conçu des composés reliant deux métaux des terres rares avec des liaisons simples constituées de phénolates basés sur un simple antioxydant largement utilisé dans les aliments. La structure résultante formait une cavité rectangulaire.
L'azote moléculaire diffusé dans la cavité forme des liaisons avec les métaux à chaque extrémité, ce qui active le gaz. Ensuite, les électrons introduits dans la cavité à partir d’une source de potassium ont attaqué l’azote activé, brisant ses liaisons. Sous toutes ses formes standards, l'azote converti forme trois liaisons covalentes avec des atomes d'hydrogène ou d'autres réactifs, ce qui donne lieu à de l'ammoniac ou des amines symétriques.
"Nos catalyseurs activent et retiennent le diazote, tandis que différents réactifs entrent et réagissent pour former différents produits", a déclaré Arnold. Elle compte ensuite utiliser des électrodes à la place du réactif potassique comme source d'électrons, car celles-ci peuvent être renouvelables si elles proviennent de cellules solaires, par exemple.
Les scientifiques exploreront ensuite comment utiliser les terres rares pour synthétiser des produits supplémentaires contenant de l'azote en ajustant la forme et la taille de la cavité en forme de boîte aux lettres. "Notre prochaine étape consiste à explorer et à comprendre quelles propriétés des métaux des terres rares ont un impact sur la chimie", a déclaré Wong.
Le nouveau procédé ne remplacera pas le procédé industriel très répandu Haber-Bosch. La production mondiale d’ammoniac oscille autour de 200 millions de tonnes par an depuis 2020, et les outils existants sont optimisés et extrêmement efficaces à grande échelle. Mais le processus consomme environ 2 % de la consommation mondiale d'énergie et crée des inégalités géographiques en matière de disponibilité de l'ammoniac.
"Ce n'est pas de la justice alimentaire", a déclaré Arnold. Wong a ajouté :« Nous avons besoin de meilleurs moyens de produire de l'ammoniac, moins gourmands en énergie et pouvant être conduits à des températures et des pressions ambiantes pour contribuer à la sécurité alimentaire et énergétique. » Leur technologie brevetée pourrait apporter des engrais et des produits azotés chimiquement spécifiques aux régions dépourvues de pipeline, et ce à un coût bien inférieur.
Certaines de ces recherches ont été menées à Advanced Light Source, une installation utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie située au laboratoire de Berkeley.
Plus d'informations : Anthony Wong et al, Réduction catalytique du diazote en silylamines par des lanthanides abondants sur terre et des complexes du groupe 4, Catalyse chimique (2024). DOI :10.1016/j.checat.2024.100964
Informations sur le journal : Catalyse chimique
Fourni par le Laboratoire national Lawrence Berkeley
