L'urée est un élément essentiel que l'on trouve dans tout, des engrais aux produits de soins de la peau. Production à grande échelle d'urée, qui est naturellement un produit de l'urine humaine, est une entreprise de grande envergure, représentant aujourd'hui environ 2 % de la consommation d'énergie et des émissions mondiales.

Depuis des décennies, les scientifiques et les ingénieurs ont cherché à rendre ce processus plus économe en énergie à mesure que la demande d'engrais augmente avec l'augmentation de la population. Une équipe de recherche internationale qui comprend des scientifiques et des ingénieurs de l'Université du Texas à Austin a mis au point une nouvelle méthode de fabrication d'urée qui est plus respectueuse de l'environnement que le processus actuel et produit suffisamment pour être compétitive avec les méthodes industrielles énergivores.

La fabrication d'urée aujourd'hui implique un processus thermique en deux étapes qui nécessite des niveaux élevés de chaleur et de pression dans des environnements difficiles contrôlés. Mais ce nouveau processus ne nécessite qu'une seule étape et repose sur un concept appelé électrocatalyse qui utilise l'électricité - et potentiellement la lumière du soleil - pour déclencher des réactions chimiques dans une solution à température ambiante dans des conditions ambiantes.

« Partout dans le monde, nous devons réduire les émissions. C'est pourquoi nous voulons développer ces voies plus durables pour produire de l'urée en utilisant l'électrocatalyse au lieu de ce processus en deux étapes énergivore, " dit Guihua Yu, professeur agrégé de science des matériaux au département de génie mécanique de la Cockrell School of Engineering, qui a codirigé l'équipe qui a publié un nouvel article sur le processus en Durabilité de la nature .

Aujourd'hui, l'urée synthétique est produite principalement via la méthode Haber-Bosch, connue comme l'une des plus grandes inventions du 20e siècle, car elle a permis la production de masse d'engrais et a contribué à augmenter l'approvisionnement alimentaire mondial. Il combine l'azote et l'hydrogène pour faire de l'ammoniac, qui se lie ensuite au dioxyde de carbone pour produire de l'urée. Ce processus en deux étapes nécessite un chauffage à 400 ou 500 degrés Fahrenheit pour effectuer la réaction, utilisant d'énormes quantités d'énergie et produisant d'importantes émissions en cours de route.

La production d'urée par électrocatalyse est un procédé alternatif plus durable et économe en énergie. Cependant, cette méthode n'a historiquement pas produit assez pour la rendre viable. Il créait trop de sous-produits et nécessitait beaucoup d'énergie pour rompre les liaisons des éléments constitutifs moléculaires et déclencher la réaction.

Trouver les bons éléments ou catalyseurs pour créer une réaction chimique efficace était le principal défi. L'équipe UT a utilisé du nitrate, au lieu de l'azote typique, se lier au dioxyde de carbone. Et la solution de catalyseur est composée de nanomatériaux d'hydroxyde d'indium.

Cet électrocatalyseur nanomatériau hautement efficace a « une sélectivité élevée, " Yu dit, c'est-à-dire qu'il ne produit que ce que les chercheurs veulent qu'il produise, pas un tas de sous-produits. Et cela crée un rendement d'urée plus élevé que les tentatives précédentes utilisant l'électrocatalyse.

"Il faut beaucoup moins d'énergie pour briser les liaisons du nitrate, par rapport à l'azote, et cela aide à produire un rendement beaucoup plus élevé d'urée, " dit Yu.

Yu considère cette formule comme applicable aux utilisations à grande et à petite échelle. Les dispositifs électrocatalytiques pourraient être exploités par des particuliers et vendus à des fermes individuelles afin qu'elles puissent produire leur propre urée pour le sol. Et l'espoir est d'apporter des solutions alternatives aux procédés industriels à grande échelle pour réduire la consommation d'énergie, qui peut jouer un rôle dans un avenir plus durable car la population et la demande d'urée augmenteront sûrement.

Les prochaines étapes de ce processus consistent à améliorer encore le rendement et la sélectivité, ainsi qu'un prototype d'appareil pouvant augmenter la production. Et l'équipe de recherche essaie de trouver un moyen d'alimenter le processus en utilisant l'énergie solaire plutôt que l'électricité directe.