S'inspirant de la foudre, un réacteur écologique convertit l'air et l'eau en ammoniac
Sans empreinte carbone
Il y a de fortes chances que vous deviez votre existence au procédé Haber-Bosch. Cette réaction chimique industrielle entre l'hydrogène et l'azote produit de l'Ammoniac, l'ingrédient clé des Engrais synthétiques qui fournissent une grande partie de l'alimentation mondiale et ont permis l'explosion démographique du siècle dernier. Elle pourrait également menacer l'existence des générations futures. Le processus consomme environ 2 % de l'énergie mondiale totale, et l'hydrogène nécessaire à la réaction provient essentiellement de combustibles fossiles.
Un réacteur plasma-électrochimique développé par l'équipe de Chris Li peut convertir l'azote de l'air en ammoniac sans empreinte carbone.
Douglas Levere/University at Buffalo
S'inspirant de la manière dont la nature - y compris la foudre - produit l'ammoniac, une équipe dirigée par l'université de Buffalo a mis au point un réacteur qui produit ce produit chimique à partir de l'azote de l'air et de l'eau, sans aucune empreinte carbone.
Ce réacteur électrochimique à plasma, décrit dans une étude publiée par le Journalof the American Chemical Society, peut maintenir un taux élevé de production d'ammoniac d'environ 1 gramme par jour pendant plus de 1 000 heures à température ambiante, et ce directement à partir de l'air.
Les chercheurs affirment qu'il s'agit d'une avancée significative vers la synthèse verte de l'ammoniac à un taux de production et une stabilité de réaction compétitifs sur le plan industriel.
"L'ammoniac est souvent considéré comme le produit chimique qui nourrit le monde, mais nous devons également nous rendre compte que le procédé Haber-Bosch n'a pas été modernisé depuis son invention il y a 100 ans. Il utilise toujours une température élevée, un traitement à haute pression et génère une empreinte carbone importante, ce qui le rend non durable à long terme", explique l'auteur correspondant de l'étude, Chris Li, PhD, professeur adjoint de chimie au College of Arts and Sciences de l'UB. "Notre procédé ne nécessite que de l'air et de l'eau et peut être alimenté par de l'électricité renouvelable.
Imiter le cycle de l'azote de la nature
La nature a sa propre façon de produire de l'engrais. Dans la fixation de l'azote, l'énergie électrique d'un éclair brise les molécules d'azote dans l'atmosphère pour former différentes espèces d'oxyde d'azote. Après être retombés sous forme d'eau de pluie, les oxydes d'azote sont transformés en ammoniac par les bactéries du sol, ce qui fournit des nutriments aux plantes.
Dans le réacteur en deux étapes de l'équipe dirigée par l'UB, le rôle de la foudre est remplacé par le plasma et celui des bactéries par un catalyseur à base de cuivre et de palladium.
"Notre réacteur à plasma convertit l'air humidifié en fragments d'oxyde d'azote, qui sont ensuite placés dans un réacteur électrochimique utilisant le catalyseur cuivre-palladium pour les convertir en ammoniac", explique Li.
Le catalyseur est capable d'adsorber et de stabiliser les nombreux intermédiaires de dioxyde d'azote créés par le réacteur à plasma. L'algorithme de théorie des graphes de l'équipe a permis d'identifier que la plupart des composés d'oxyde d'azote doivent passer par l'oxyde nitrique ou l'amine comme étape intermédiaire avant de devenir de l'ammoniac. Cela a permis à l'équipe de concevoir intelligemment un catalyseur qui se lie favorablement à ces deux composés.
"Lorsque l'énergie du plasma ou un éclair active l'azote, on obtient une soupe de composés d'oxyde d'azote. Convertir simultanément, dans notre cas, jusqu'à huit composés chimiques différents en ammoniac est incroyablement difficile", explique Xiaoli Ge, premier auteur de l'étude et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Li. "La théorie des graphes nous permet essentiellement de cartographier tous les chemins de réaction différents et d'identifier un produit chimique goulot d'étranglement. Nous optimisons ensuite notre réacteur électrochimique pour stabiliser le produit chimique goulot d'étranglement, de sorte que tous les différents intermédiaires soient sélectivement transformés en ammoniac."
Mise à l'échelle
L'équipe de M. Li est actuellement en train de mettre à l'échelle son réacteur et étudie la possibilité d'une création d'entreprise et de partenariats avec l'industrie pour aider à le commercialiser. Le bureau de transfert de technologie de l'UB a déposé une demande de brevet pour le réacteur et ses méthodes d'utilisation.
Plus de la moitié de la production mondiale d'ammoniac est assurée par quatre pays - la Chine, les États-Unis, la Russie et l'Inde - alors que de nombreux pays en développement ne sont pas en mesure de produire leur propre ammoniac. Alors que le procédé Haber-Bosch doit être mis en œuvre à grande échelle dans une centrale électrique centralisée, M. Li affirme que son système peut être mis en œuvre à une échelle beaucoup plus petite.
"On peut imaginer nos réacteurs dans un conteneur de taille moyenne avec des panneaux solaires sur le toit. Ils peuvent être installés n'importe où dans le monde et produire de l'ammoniac à la demande pour la région concernée", explique-t-il. "C'est un avantage très intéressant de notre système, qui nous permettra de produire de l'ammoniac pour les régions sous-développées ayant un accès limité au procédé Haber-Bosch.
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
Xiaoli Ge, Chengyi Zhang, Mayuresh Janpandit, Shwetha Prakash, Pratahdeep Gogoi, Daoyang Zhang, Timothy R. Cook, Geoffrey I.N. Waterhouse, Longwei Yin, Ziyun Wang, Yuguang C. Li; "Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis"; Journal of the American Chemical Society, 2024-12-12
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