Nourrir les plantes avec de l'électricité
Des électrochimistes développent une alternative durable aux engrais conventionnels
Si tous les êtres vivants ont besoin d'azote pour survivre, il n'est pas si facile de l'absorber. Les plantes, par exemple, peuvent l'absorber sous forme de sels d'Ammoniac, ce qui fait de ces sels un composant clé des Engrais. Jusqu'à présent, l'ammoniac était principalement produit à partir de ressources fossiles et d'énergies non renouvelables. L'électrochimiste Alexander Opitz et son équipe sont en train de mettre au point une alternative durable.
Un engrais fait maison et respectueux de l'environnement ? Le chimiste Alexander Opitz a reçu un financement du programme 1000 idées de la FWF pour son projet innovant.
© Matthäus Siebenhofer
L'importance de l'ammoniac (NH3) n'est pas souvent un sujet de débat public, mais c'est l'une des substances les plus produites et les plus importantes pour toute une série d'applications. Chaque année, près de 150 millions de tonnes d'ammoniac sont produites dans le monde. L'ammoniac est utilisé comme réfrigérant ou dans la production de plastiques, mais la plus grande partie est destinée à la production d'engrais synthétiques. Les plantes ont besoin de l'azote contenu dans ces engrais pour leur croissance et leur photosynthèse. C'est pourquoi l'ammoniac est devenu un élément indispensable de notre société moderne. Alors que l'un de ses composants - l'azote - est présent en grandes quantités dans notre atmosphère sous forme de molécule de N2, la synthèse de l'ammoniac nécessite également de l'hydrogène (H2) comme matière première. Actuellement, l'hydrogène est principalement produit à l'aide de ressources fossiles. En outre, les combustibles fossiles sont également utilisés pour la production énergivore d'ammoniac à partir de N2 et deH2. Alexander Opitz et son équipe de l'université technologique de Vienne (TU Wien) cherchent à développer une alternative durable dans le cadre de leur projet "Nourrir les plantes avec de l'électricité".
"Nous avons lancé ce projet parce que nous pouvons exploiter notre expertise en électrochimie pour mettre au point une nouvelle forme de production d'ammoniac qui utilise des énergies et des matériaux de base renouvelables", explique Alexander Opitz. "L'un des plus grands défis consiste à briser les molécules d'azote extrêmement stables de l'atmosphère et à les combiner avec des atomes d'hydrogène pour produire de l'ammoniac.
Le projet de recherche "Nourrir les plantes avec de l'électricité", qui se déroulera de 2021 à 2024, est financé par le FWF dans le cadre de son programme 1000 idées pour la recherche particulièrement innovante. Le projet vise à développer un nouveau processus électrochimique pour la production d'ammoniac, basé sur des énergies et des matières premières durables.
L'ammoniac (NH3) est constitué d'un atome d'azote lié à trois atomes d'hydrogène. Les atomes d'azote aiment se combiner avec un autre atome d'azote et le N2 qui en résulte est une molécule très stable. Au début du XXe siècle, deux chimistes ont mis au point le procédé Haber-Bosch, qui utilise des pressions de plusieurs centaines de bars et des températures de plusieurs centaines de degrés Celsius pour briser les molécules d'azote en vue de la production d'ammoniac. Les grandes quantités d'énergie nécessaires à ce processus chimique font que la production d'ammoniac est responsable à elle seule de 1,4 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone et d'environ 1 % de la consommation mondiale d'énergie. Le potentiel d'économie est donc énorme. Étant donné que ce processus n'est économiquement viable qu'à grande échelle, la production mondiale d'ammoniac n'est concentrée que dans une centaine d'installations industrielles. C'est là qu'intervient la recherche d'Alexander Opitz.
La pression par la tension
Avec l'aide de Maximilian Weiss, post-doctorant, Melanie Anstiss, doctorante, et Christian Wimmer, étudiant diplômé, Alexander Opitz mène des recherches pour trouver un autre moyen de produire de l'ammoniac. "Au lieu d'utiliser beaucoup d'énergie pour produire de l'hydrogène gazeux à une pression de 100 bars afin qu'il puisse se lier à l'azote, nous utilisons les processus aux électrodes des cellules électrochimiques - comparables à l'électrolyse", explique Opitz.
Dans l'électrolyse, un courant électrique force une réaction chimique à une électrode. "Dans notre dispositif expérimental, nous utilisons un matériau d'électrode céramique spécial que nous produisons nous-mêmes. Contrairement à de nombreux autres matériaux, il peut conduire à la fois les électrons chargés négativement et les protons chargés positivement, c'est-à-dire les noyaux des atomes d'hydrogène. En combinaison avec un électrolyte conducteur de protons entre les électrodes, nous pouvons pomper l'hydrogène à travers la cellule électrochimique et influencer la pression effective à l'électrode au moyen de la tension appliquée".
Lors de l'expérience, le groupe de recherche a d'abord amené de l'hydrogène gazeux d'un côté de l'électrolyte céramique. À l'électrode située à cet endroit, les atomes d'hydrogène perdent leur seul électron et ne conservent que le noyau atomique - un seul proton qui peut se déplacer dans l'électrolyte. La tension électrique appliquée force alors les protons chargés positivement vers l'autre côté de l'électrolyte, où se trouve la deuxième électrode. Cette seconde électrode, constituée d'un matériau céramique spécial, crée la pression d'hydrogène effective élevée nécessaire à la production d'ammoniac. "C'est l'astuce de notre projet", explique M. Opitz. "Nous pouvons mettre l'hydrogène sous haute pression en appliquant simplement une tension électrique qui peut provenir de sources renouvelables.
En outre, la surface du matériau de la cathode est équipée d'un catalyseur, un matériau spécialement sélectionné qui aide à briser les molécules stables d'azote atmosphérique et à les combiner avec l'hydrogène.
Matières premières durables et décentralisation
"De nombreux problèmes ont dû être résolus, et nous avons encore beaucoup de travail devant nous", note M. Opitz. "Par exemple, nous avons d'abord dû trouver une méthode efficace pour mesurer facilement en laboratoire la concentration d'hydrogène dans nos matériaux céramiques. Nous y sommes parvenus grâce à une collaboration fructueuse avec des collègues travaillant dans le domaine de la chimie analytique à la TU Wien."
L'une des prochaines étapes consistera à sélectionner le meilleur catalyseur, et les chercheurs souhaitent également intégrer une source durable d'hydrogène dans leur processus. "Jusqu'à présent, la majeure partie de l'hydrogène a été obtenue à partir de gaz naturel fossile. Nous aimerions étendre notre procédé pour produire l'hydrogène, qui est ensuite pompé dans notre cellule électrochimique, directement à partir de l'eau", explique M. Opitz.
La recherche sur la production électrochimique d'ammoniac se poursuivra pendant un certain temps encore, mais M. Opitz et son équipe sont très motivés et ont déjà en tête des domaines d'application potentiels. "Notre approche pourrait être utilisée pour rendre plus durables d'autres réactions chimiques avec l'hydrogène. Nous pouvons également l'utiliser pour permettre une production décentralisée d'ammoniac, car notre technologie permet une mise à l'échelle et une réduction relativement faciles. Les agriculteurs, par exemple, pourraient utiliser un petit réacteur électrochimique pour produire localement l'ammoniac dont ils ont besoin pour leurs engrais. Ils pourraient ainsi nourrir leurs cultures avec de l'azote provenant de leur propre production.
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.
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