Des chercheurs de l'Université de Stockholm ont pu pour la première fois étudier la surface des catalyseurs au fer et au ruthénium lorsque l'ammoniac est formé à partir de l'azote et de l'hydrogène. L'étude intitulée « Probing Operando de la chimie de surface pendant le processus Haber-Bosch » est publiée dans Nature .
Une meilleure connaissance du processus catalytique et la possibilité de trouver des matériaux encore plus performants ouvrent la porte à une transition verte dans un contexte actuellement très CO2 -Industrie chimique intensive.
L'ammoniac, produit selon le procédé Haber-Bosch, est actuellement l'un des produits chimiques de base les plus essentiels pour la production mondiale d'engrais, avec une production annuelle de 110 millions de tonnes. La revue Nature a proposé en 2001 que le procédé Haber-Bosch était l'invention scientifique la plus cruciale pour l'humanité au cours du 20e siècle, puisqu'il a sauvé environ 4 milliards de vies en évitant une famine massive. Une estimation de la teneur en azote de l'ADN et des protéines de notre corps montre que la moitié des atomes peuvent provenir de Haber-Bosch.
« Malgré trois prix Nobel (1918, 1931 et 2007) pour le procédé Haber-Bosch, il n'a pas été possible d'étudier expérimentalement la surface du catalyseur avec des méthodes sensibles à la surface dans des conditions réelles de production d'ammoniac; des techniques expérimentales avec une sensibilité de surface à des pressions et des températures suffisamment élevées n'étaient pas réalisables", explique Anders Nilsson, professeur de physique chimique à l'Université de Stockholm.
"Par conséquent, différentes hypothèses sur l'état du catalyseur au fer comme étant métallique ou dans un nitrure, ainsi que sur la nature des espèces intermédiaires importantes pour le mécanisme réactionnel, n'ont pas pu être vérifiées sans ambiguïté."
"Ce qui a permis cette étude, c'est que nous avons construit à Stockholm un instrument de spectroscopie photoélectronique qui permet d'étudier les surfaces des catalyseurs sous hautes pressions. Ainsi, nous avons pu observer ce qui se passe lorsque la réaction se produit directement", explique David Degerman, postdoc en chimie. Physique à l'Université de Stockholm.
"Nous avons ouvert une nouvelle porte dans la compréhension de la catalyse de production d'ammoniac grâce à notre nouvel instrument qui nous permet désormais de détecter les intermédiaires de réaction et de fournir des preuves du mécanisme de réaction."
"Poser notre instrument de Stockholm sur l'une des sources de rayons X les plus brillantes au monde à PETRA III à Hambourg a été crucial pour mener l'étude", déclare Patrick Lömker, chercheur à l'université de Stockholm. "Nous pouvons désormais imaginer l'avenir avec des sources encore plus brillantes lorsque la machine passera à PETRA IV."
"Nous disposons désormais des outils nécessaires pour mener des recherches menant à de nouveaux matériaux catalyseurs pour la production d'ammoniac qui peuvent être mieux utilisés pour s'associer à l'hydrogène produit par électrolyse pour la transition verte de l'industrie chimique", déclare Anders Nilsson.
"Il est inspirant de mener des recherches sur un sujet aussi lié à une réussite scientifique qui a énormément aidé l'humanité. Je suis impatient de poursuivre les recherches pour trouver de nouveaux catalyseurs susceptibles de réduire notre dépendance aux sources fossiles. L'industrie chimique représente à elle seule 8 % du CO2 mondial émissions", déclare Bernadette Davies, doctorante en chimie des matériaux à l'Université de Stockholm.
"La perspective à long terme de produire de l'ammoniac grâce à une alternative électrocatalytique directement alimentée par l'électricité solaire ou éolienne est des plus attrayantes, et nous disposons désormais d'outils pour aider scientifiquement à ce développement", déclare Sergey Koroidov, chercheur à l'Université de Stockholm. .
L'étude a été menée en collaboration avec Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) à Hambourg et l'Université Montan en Autriche. L'étude comprenait d'anciens employés de l'Université, Chris Goodwin, Peter Amann, Mikhail Shiplin, Jette Mathiesen et Gabriel Rodrigez.
Plus d'informations : Anders Nilsson, Sondage Operando de la chimie de surface pendant le procédé Haber-Bosch, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-023-06844-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06844-5
Informations sur le journal : Nature
Fourni par l'Université de Stockholm
