Les ingénieurs de Georgia Tech s'efforcent de rendre les engrais plus durables, de la production à la réutilisation productive des eaux de ruissellement après application, et deux nouvelles études offrent des pistes prometteuses aux deux extrémités du processus.
Dans un article, des chercheurs ont découvert comment l'azote, l'eau, le carbone et la lumière peuvent interagir avec un catalyseur pour produire de l'ammoniac à température et pression ambiantes, une approche beaucoup moins gourmande en énergie que la pratique actuelle. Le deuxième article décrit un catalyseur stable capable de reconvertir les engrais usagés en azote non polluant qui pourrait un jour être utilisé pour fabriquer de nouveaux engrais.
Un travail important reste à faire sur ces deux processus, mais l'auteur principal de l'article, Marta Hatzell, a déclaré qu'ils constituent une étape vers un cycle plus durable qui répond toujours aux besoins d'une population mondiale croissante.
"Nous pensons souvent qu'il serait bien de ne pas avoir à utiliser d'engrais synthétiques pour l'agriculture, mais ce n'est pas réaliste à court terme étant donné que la croissance des plantes dépend des engrais synthétiques et de la quantité de nourriture dont la population mondiale a besoin", a déclaré Hatzell, associé. professeur à l'École de génie mécanique George W. Woodruff. "L'idée est que peut-être un jour vous pourrez fabriquer, capturer et recycler les engrais sur place."
L'ammoniac riche en azote est un engrais essentiel dans la production alimentaire mondiale. Cependant, sa création nécessite une énergie pétrolière importante et cela ne peut être réalisé que dans une centaine d'installations à grande échelle dans le monde.
Hatzell et ses collègues de Georgia Tech ont découvert le rôle important de molécules appelées radicaux carbonés pour une approche à faible consommation d'énergie qui utilise un catalyseur photoréactif pour fusionner l'azote et l'hydrogène en ammoniac. Ils ont rapporté leurs découvertes dans le Journal of the American Chemical Society Au (JACS Au ).
Les réactions photochimiques sont prometteuses car elles pourraient utiliser l’énergie solaire au lieu des combustibles fossiles et offrir une approche plus décentralisée de la fabrication d’ammoniac. Généralement, la réaction nécessaire nécessite des températures autour de 400° Celsius et une pression atmosphérique 100 fois supérieure à la normale. Créer un processus à pression et température ambiantes (environ 25 ° C) serait considérablement plus simple.
L'équipe, qui comprenait des chercheurs de l'École de génie chimique et biomoléculaire et de l'École de génie civil et environnemental, a utilisé des outils de spectroscopie pour montrer que la lumière interagit avec le photocatalyseur pour produire des molécules de carbone à haute énergie appelées radicaux carbonés.
"Nous avons découvert, de manière surprenante, que l'azote ne réagit pas directement à basse température. Il faut vraiment la présence d'un radical carboné pour faciliter le processus de fixation de l'azote", a déclaré Hatzell.
"Il était vraiment important pour nous d'essayer d'identifier cette voie de réaction, car sans une compréhension claire de la manière dont l'azote et l'eau entraînent la formation d'ammoniac, nous ne pouvons vraiment pas concevoir de systèmes et concevoir de nouveaux matériaux", a-t-elle poursuivi. P>
"En cartographiant cette voie de réaction et en comprenant tous les processus catalytiques possibles qui peuvent avoir lieu, nous pouvons désormais mieux concevoir des réacteurs et mieux concevoir des matériaux pour accélérer le processus."
L'équipe a utilisé le dioxyde de titane comme photocatalyseur dans ces expériences car il est bien étudié et largement utile, mais Hatzell a déclaré que d'autres matériaux pourraient s'avérer plus efficaces pour déclencher la création d'ammoniac dans une réaction photochimique. Cette nouvelle compréhension peut aider les scientifiques à commencer à optimiser le processus.
La deuxième étude réalisée par le laboratoire de Hatzell, publiée dans ACS Energy Letters — travaille à l’extrémité opposée du cycle de vie des engrais. Des quantités importantes d’azote sont gaspillées lorsque les engrais sont appliqués aux cultures – peut-être jusqu’à 80 % ne sont pas métabolisés par les plantes. Ces déchets nitrates finissent souvent par polluer les eaux souterraines.
Hatzell a travaillé avec d'autres ingénieurs en mécanique et chercheurs de Georgia Tech dans deux laboratoires nationaux pour créer un alliage palladium-cuivre qui réduit ces nitrates en azote, qui peut être libéré sans danger dans l'air ou, un jour, utilisé pour alimenter des processus comme la réaction photochimique. dans le JACS Au étude pour créer un nouvel engrais ammoniaqué.
"Non seulement notre catalyseur est bon, mais il est également stable pendant une très longue période", a déclaré Hatzell. "De nombreux chercheurs ont mis au point des catalyseurs qui obtiennent une bonne conversion, mais les catalyseurs ne sont pas stables. Nous avons créé un matériau en alliage hautement ordonné qui est efficace, efficient et également stable, ce qui signifie qu'il serait capable de fonctionner avec ces flux de déchets."
Les deux études sont le résultat d’une concentration d’expertise au sein du Collège d’ingénierie travaillant à faire des progrès dans ce domaine. Ils comprennent des contributions de chercheurs tels que A.J. Medford, Seung Woo Lee et Carsten Sievers.
Ils font également partie d'un effort plus large, dirigé par Hatzell et d'autres collaborateurs de Tech, qui vise à réduire la pollution azotée et à créer une économie circulaire de l'azote en capturant, recyclant et produisant des engrais décarbonisés à base d'azote.
"Avec ce centre de 10 ans, nous travaillons au développement de tous ces processus et technologies individuels", a déclaré Hatzell. "Ensuite, nous trouverons comment les assembler et les tester dans les stations d'épuration et les sites agricoles."
Plus d'informations : Po-Wei Huang et al, Formation de radicaux centrés sur l'azote induits par le carbone sur le dioxyde de titane sous éclairage, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00556
Jeonghoon Lim et al, Électrocatalyseurs PdCu commandés atomiquement pour une réduction électrochimique sélective et stable des nitrates, ACS Energy Letters (2023). DOI : 10.1021/acsenergylett.3c01672
Informations sur le journal : Lettres énergétiques de l'ACS
Fourni par l'Institut de technologie de Géorgie
