L'ammoniac est une matière première nécessaire pour produire des engrais, des produits chimiques, des produits pharmaceutiques et des polymères à base d'azote. À ce jour, environ 80 % de l'ammoniac mondial est utilisé pour produire des engrais à base d'azote, ce qui représente 50 % de la production alimentaire mondiale.
La production mondiale d'ammoniac est d'environ 180 millions de tonnes par an grâce au procédé Haber-Bosch, à forte intensité de carbone et très consommateur d'énergie. La consommation élevée d'énergie, la forte intensité carbone et l'investissement en capital élevé du procédé Haber-Bosch rendent plus urgent le développement de voies écologiquement durables et abordables pour la synthèse de l'ammoniac dans des conditions ambiantes.
La synthèse électrochimique de l’ammoniac, alimentée par des énergies renouvelables, offre une approche prometteuse à ce casse-tête. La réaction de réduction électrocatalytique du nitrate (NtrRR) pour la synthèse de l'ammoniac dans des conditions ambiantes a le potentiel de résoudre les problèmes environnementaux et d'obtenir simultanément des produits chimiques utiles.
Bien que de nombreux efforts aient été déployés pour développer un catalyseur efficace permettant d’améliorer l’efficacité de Faraday de l’ammoniac et la densité de courant dans le NtrRR, il reste encore confronté à certains défis scientifiques et pratiques. Cette perspective vise à discuter de ces défis et à proposer des solutions correspondantes.
Dans une perspective récente du Département de physique de l'Université technique du Danemark, le Dr Xianbiao Fu explore les développements prometteurs et les défis de la réduction électrochimique des nitrates pour la synthèse de l'ammoniac. Cette perspective a été publiée dans le Chinese Journal of Catalysis .
Le Dr Fu souligne l'importance d'un approvisionnement durable en nitrate, proposant trois voies potentielles :l'utilisation des eaux usées industrielles, l'emploi de procédés plasma et l'exploration de l'oxydation électrochimique de l'azote. La production durable et abordable de nitrates est identifiée comme un défi clé pour la viabilité de la réduction électrochimique des nitrates.
L'étude souligne l'importance de comprendre l'équilibre des espèces dans les réactions de réduction des nitrates, en particulier en ce qui concerne les modifications du pH des électrolytes au fil du temps. Ce facteur, souvent négligé, pourrait avoir un impact sur la stabilité et les performances à long terme du système électrochimique.
Un défi notable mis en évidence est la limitation du transfert de masse du nitrate, qui nécessite des solutions innovantes pour améliorer le transport du nitrate à des densités de courant élevées. Cette perspective discute de stratégies potentielles, telles que les réacteurs microfluidiques, l'agitation et l'utilisation d'électrolytes nitrates à haute concentration.
La stabilité des catalyseurs de réduction des nitrates est identifiée comme un aspect crucial, notamment pour les applications industrielles. Même si certains métaux de transition comme le cuivre et le cobalt ont fait preuve d’une activité et d’une sélectivité élevées, leur stabilité lors d’une utilisation prolongée reste préoccupante. Des stratégies telles que l'alliage, l'encapsulation et l'immobilisation sont proposées pour améliorer la stabilité du catalyseur.
En conclusion, cette perspective fournit un aperçu complet des opportunités et des défis liés à la réduction électrochimique des nitrates pour la synthèse de l'ammoniac.
Les idées de Fu ouvrent la voie à de futures orientations de recherche, en soulignant la nécessité de voies d'approvisionnement durables en nitrate, en comprenant l'équilibre des espèces, en surmontant les limitations de transfert de masse et en garantissant la stabilité du catalyseur pour faire progresser le domaine vers une synthèse d'ammoniac respectueuse de l'environnement et économiquement viable.
Plus d'informations : Xianbiao Fu, Quelques réflexions sur la réaction électrochimique de réduction des nitrates, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI :10.1016/S1872-2067(23)64521-8
Fourni par l'Académie chinoise des sciences
