Une nouvelle porte s'ouvre pour comprendre la catalyse de la production d'ammoniac
Une équipe de chercheurs étudie le mécanisme de réaction pour la production catalytique d'ammoniac à PETRA III
Une équipe de chercheurs de l'université de Stockholm, en collaboration avec DESY et la Montanuniversität Leoben en Autriche, a réussi pour la première fois à étudier la surface des catalyseurs à base de fer et de ruthénium dans la formation d'Ammoniac à partir d'azote et d'hydrogène ; les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Nature. En connaissant exactement le fonctionnement de ces catalyseurs, il pourrait être possible d'identifier des matériaux encore plus efficaces pour ce processus. Cela pourrait conduire à une plus grande durabilité de l'industrie chimique, actuellement trèsgourmande en CO2.
L'ammoniac, produit par 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 soit l'invention scientifique la plus importante pour l'humanité au cours du XXe siècle, car il a permis de sauver la vie d'environ 4 milliards de personnes en évitant la famine de masse. Une estimation de la teneur en azote de l'ADN et des protéines de notre corps montre que la moitié des atomes peut être dérivée du procédé 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 ; les techniques expérimentales avec sensibilité à la surface à des pressions et températures suffisamment élevées n'ont pas pu être réalisées. Par conséquent, les différentes hypothèses concernant l'état du catalyseur en fer, métallique ou nitruré, ainsi que la nature des espèces intermédiaires importantes pour le mécanisme de réaction, n'ont pas pu être vérifiées sans ambiguïté", explique Anders Nilsson, professeur de physique chimique à l'université de Stockholm.
"Ce qui a permis cette étude, c'est que nous avons construit à Stockholm un instrument de spectroscopie de photoélectrons qui permet d'étudier les surfaces des catalyseurs sous haute pression. Nous avons ainsi pu observer directement ce qui se passe lors de la réaction", explique David Degerman, postdoc en physique chimique à l'université de Stockholm. "Nous avons ouvert une nouvelle voie dans la compréhension de la catalyse de la production d'ammoniac grâce à notre nouvel instrument, qui nous permet désormais de détecter les intermédiaires de la réaction et de fournir des preuves du mécanisme de la réaction".
"L'instrument de spectroscopie innovant de l'université de Stockholm, associé aux paramètres de faisceau de PETRA III, permet désormais de réaliser des expériences in-operando sur des catalyseurs à des pressions dix fois supérieures à celles des autres sources de rayonnement synchrotron", explique Christoph Schlueter (DESY), responsable de la ligne de faisceau P22. "Le fait que notre instrument de Stockholm soit installé dans l'une des sources de rayons X les plus brillantes au monde, PETRA III à DESY à Hambourg, a été crucial pour la réalisation de l'étude", déclare Patrick Lömker, post-doctorant à l'université de Stockholm. "Nous pouvons maintenant imaginer ce que nous pourrons examiner à l'avenir avec des sources encore plus brillantes lorsque la machine passera à PETRA IV".
"Les mesures difficiles permettent enfin de clarifier d'importantes questions en suspens sur les espèces actives dans la synthèse de l'ammoniac", déclare Christoph Schlueter. Au cours des recherches, l'équipe de chercheurs a découvert que la surface du catalyseur ne forme pas de nitrures, mais reste métallique dans toutes les conditions de production de l'ammoniac. La surface du ruthénium - un catalyseur plus actif que le fer, mais beaucoup plus cher - reste totalement exempte d'espèces azotées, ce qui limite son activité. La première étape dissociative, au cours de laquelle les molécules d'azote sont complètement décomposées, détermine la vitesse de la réaction globale. À des températures plus élevées, le fer se comporte de la même manière que le ruthénium, mais ici aussi, la vitesse de réaction est partiellement contrôlée par le processus d'attachement des atomes d'hydrogène aux espèces azotées. À des températures plus basses, la vitesse globale diminue et l'étape limitante de la réaction est entièrement liée à ce processus d'hydrogénation.
"Nous disposons désormais des outils nécessaires pour mener des recherches qui déboucheront sur de nouveaux matériaux catalytiques pour la production d'ammoniac, qui pourront être mieux adaptés à l'hydrogène produit par électrolyse dans le cadre de la transition écologique de l'industrie chimique", déclare Anders Nilsson.
"C'est une source d'inspiration que de mener des recherches sur un sujet aussi lié à une réussite scientifique qui a énormément aidé l'humanité. Je suis impatient de poursuivre mes recherches pour trouver de nouveaux catalyseurs susceptibles de réduire notre dépendance à l'égard des sources fossiles. L'industrie chimique représente à elle seule 8 % des émissions mondiales de CO2", explique Bernadette Davies, doctorante en chimie des matériaux à l'université de Stockholm.
"La perspective à long terme de produire de l'ammoniac par le biais d'une alternative électrocatalytique directement alimentée par l'électricité solaire ou éolienne est très attrayante, et nous disposons désormais d'outils pour contribuer scientifiquement à ce développement", déclare Sergey Koroidov, chercheur à l'université de Stockholm.
L'étude a été menée en collaboration avec DESY et l'université de Montan en Autriche. D'anciens employés de l'université, Chris Goodwin, Peter Amann, Mikhail Shiplin, Jette Mathiesen et Gabriel Rodrigez, ont participé à l'étude.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Christopher M. Goodwin, Patrick Lömker, David Degerman, Bernadette Davies, Mikhail Shipilin, Fernando Garcia-Martinez, Sergey Koroidov, Jette Katja Mathiesen, Raffael Rameshan, Gabriel L. S. Rodrigues, Christoph Schlueter, Peter Amann, Anders Nilsson; "Operando probing of the surface chemistry during the Haber–Bosch process"; Nature, Volume 625, 2024-1-10
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