Inspirée par la nature, l'équipe de recherche a développé un photocatalyseur métallo-organique à base de porphyrine métallisée. Crédit :Université de la ville de Hong Kong
Ammoniac (NH3 ) est un composant majeur des engrais et un vecteur énergétique sans carbone prometteur. Cependant, la production d'ammoniac consomme environ 2 % de la production énergétique mondiale totale et libère 500 Mt de dioxyde de carbone par an. Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques de la City University of Hong Kong (CityU) a développé un nouveau type de photocatalyseur capable de produire de l'ammoniac à partir d'azote atmosphérique à température ambiante en utilisant la lumière du soleil. Cette nouvelle méthode a surpassé la méthode conventionnelle qui provoque des émissions massives de carbone. L'équipe de recherche pensait qu'une telle technologie de production durable d'ammoniac ferait progresser le développement de la future économie de l'azote.
Cette recherche a été dirigée par le professeur Leung Kwok Hi Michael, professeur d'énergie et d'environnement du Shun Hing Education and Charity Fund et le professeur adjoint Shang Jin, tous deux de la School of Energy and Environment (SEE) de CityU, ainsi qu'un universitaire australien. Leurs découvertes ont été publiées dans la revue scientifique ACS Nano sous le titre "Site de fer-métal atomiquement dispersé dans un cadre métal-organique à base de porphyrine pour la fixation photocatalytique de l'azote."
Ammoniac :un combustible émergent qui pourrait remplacer le pétrole et le charbon dans la production d'électricité
L'ammoniac est un composant essentiel des aliments et des engrais. La majeure partie de l'ammoniac artificiel est utilisée pour produire des engrais pour l'agriculture. L'ammoniac est également un produit chimique important avec une large gamme d'utilisations industrielles, de la production de détergents aux réfrigérants. Plus important encore, l'ammoniac a attiré beaucoup d'attention ces dernières années car il fournit une source d'hydrogène pour les piles à combustible et il est plus facile à liquéfier et à transporter que l'hydrogène. De plus, l'ammoniac lui-même peut servir de combustible pour la production d'électricité autre que le pétrole et le charbon. Il y a donc une énorme demande pour produire de l'ammoniac.
L'équipe développe un photocatalyseur pour produire de l'ammoniac après avoir réalisé une fixation artificielle de l'azote alimentée par la lumière du soleil et utilisant l'eau comme agent réducteur, à température et pression ambiantes. Crédit :Université de la ville de Hong Kong
Méthode de production actuelle :Nocif pour l'environnement
La "fixation" de l'azote est une étape importante avant la production d'ammoniac. Bien que 80 % de l'atmosphère soit constituée d'azote, cet azote « libre » ne peut être utilisé tant qu'il n'est pas converti en composés contenant de l'azote. Ce processus de conversion est appelé "fixation de l'azote".
La fixation de l'azote peut se faire naturellement ou artificiellement. La voie artificielle fait généralement référence au procédé industriel Haber-Bosch à température et pression élevées, utilisant le fer comme catalyseur pour produire de l'ammoniac à partir d'azote et d'hydrogène. De nos jours, la production d'ammoniac dépend fortement du procédé Haber-Bosch, mais il n'est pas durable car il consomme une énorme quantité de combustibles fossiles et provoque des émissions massives de dioxyde de carbone.
Pour rechercher un moyen durable de produire de l'ammoniac, le professeur Leung et le Dr Jin réunissent leurs équipes pour développer une approche de fixation de l'azote aux conditions ambiantes utilisant de l'eau et des énergies renouvelables. Le plus grand défi pour l'équipe commune était de créer un catalyseur permettant la réaction complexe en plusieurs étapes de la fixation de l'azote.
Cette figure montre comment le nouveau photocatalyseur déclenche la réaction de réduction de l'azote et produit de l'ammoniac. Crédit :Université de la ville de Hong Kong
Nouveau photocatalyseur biomimétique
Dans la nature, le fer dans la nitrogénase (une sorte d'enzyme) lie et active favorablement l'azote, et la porphyrine (une sorte de composé organique) dans la chlorophylle récolte efficacement la lumière du soleil. Inspirée par les mécanismes naturels ci-dessus, l'équipe a développé un photocatalyseur métal-organique à base de porphyrine métallisée (MOF).
Ce photocatalyseur biomimétique, d'une épaisseur de seulement 15 à 25 nm, peut produire de l'ammoniac après avoir réalisé une fixation artificielle de l'azote alimentée par la lumière du soleil et utilisant l'eau comme agent réducteur, à température et pression ambiantes.
L'équipe a utilisé des MOF dans ce photocatalyseur car il fournissait plus de sites actifs à la surface pour l'adsorption et l'activation de l'azote. Ainsi, l'efficacité de la réaction de réduction de l'azote est améliorée.
L'équipe a mené des expériences avec ce photocatalyseur et a prouvé qu'il était possible de produire de l'ammoniac. « Nous avons développé un nouveau photocatalyseur capable d'atteindre les meilleures performances de fixation photocatalytique de l'azote dans la catégorie des photocatalyseurs à base de MOF. Il présente l'un des rendements en ammoniac les plus élevés et la meilleure stabilité hydrolytique des MOF », a déclaré le professeur Leung. Une bonne stabilité hydrolytique signifie que le photocatalyseur doit être utilisé à plusieurs reprises.
Grâce à cette recherche, l'équipe a exploré la réaction de réduction photocatalytique de l'azote sur leur photocatalyseur biomimétique. Le Dr Shang a souligné que les nouvelles connaissances acquises grâce à ces travaux guideraient la conception rationnelle des photocatalyseurs à base de MOF de nouvelle génération. Il pensait que leurs découvertes libéreraient le potentiel de développer divers MOF à base de porphyrine en tant que photocatalyseurs pour diverses applications énergétiques et environnementales.
L'équipe espérait que cette étude pionnière inciterait les scientifiques et les ingénieurs du domaine de la catalyse à explorer et à développer des photocatalyseurs biomimétiques à base de MOF pour catalyser d'autres réactions chimiques à température et pression ambiantes, sans se limiter à la fixation artificielle de l'azote.
« La production d'énergie et de produits chimiques de base via des procédés sans combustibles fossiles est idéale pour atteindre la neutralité carbone. Cette recherche a développé une technologie pour produire de l'ammoniac à partir d'azote atmosphérique et d'eau en récoltant la lumière du soleil. Nous avons obtenu de manière durable une énergie sans carbone », a conclu le professeur Leung. L'équipe pensait que leurs découvertes aideraient à atténuer la crise énergétique et les problèmes environnementaux de plus en plus pressants. La nouvelle alchimie de la neutralité carbone :Transformer l'eau en ammoniac avec uniquement de l'énergie renouvelable
