Une équipe de recherche à l’Université du Wisconsin–Madison a identifié une nouvelle façon de convertir l’ammoniac en azote gazeux grâce à un processus qui pourrait être une étape vers l’ammoniac remplaçant les carburants à base de carbone.
La découverte de cette technique, qui utilise un catalyseur métallique et libère, plutôt que nécessite, de l’énergie, a été signalée le 8 novembre 2021, dans Chimie de la nature et a reçu un brevet provisoire de la Wisconsin Alumni Research Foundation.
“Le monde fonctionne actuellement avec une économie de carburant à base de carbone”, explique Christian Wallen, auteur de l’article et ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire du chimiste UW-Madison John Berry. « Ce n’est pas une grande économie parce que nous brûlons des hydrocarbures, qui libèrent du dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Nous n’avons aucun moyen de boucler la boucle d’un véritable cycle du carbone, où nous pourrions transformer à nouveau le dioxyde de carbone en un carburant utile.
Pour progresser vers l’objectif des Nations Unies visant à ce que le monde devienne neutre en carbone d’ici 2050, les scientifiques doivent envisager des moyens respectueux de l’environnement de créer de l’énergie à partir d’éléments autres que le carbone, et l’équipe UW-Madison propose une économie énergétique de l’azote basée sur les interconversions de l’azote et l’ammoniac.
Les scientifiques étaient ravis de découvrir que l’ajout d’ammoniac à un catalyseur métallique contenant le ruthénium, un élément semblable au platine, produisait spontanément de l’azote, ce qui signifie qu’aucune énergie supplémentaire n’était requise. Au lieu de cela, ce processus peut être exploité pour produire de l’électricité, avec des protons et de l’azote gazeux comme sous-produits. De plus, le complexe métallique peut être recyclé par exposition à l’oxygène et utilisé à plusieurs reprises, un processus beaucoup plus propre que l’utilisation de carburants à base de carbone.
«Nous avons compris que non seulement nous produisons de l’azote, mais que nous le produisons dans des conditions tout à fait sans précédent», explique Berry, qui est professeur de chimie Lester McNall et concentre ses efforts de recherche sur la chimie des métaux de transition. « Pouvoir achever la réaction ammoniac-azote dans des conditions ambiantes – et obtenir de l’énergie – est un gros problème. »
L’ammoniac a été brûlé comme source de combustible pendant de nombreuses années. Pendant la Seconde Guerre mondiale, il a été utilisé dans les automobiles, et les scientifiques envisagent aujourd’hui des moyens de le brûler dans les moteurs en remplacement de l’essence, en particulier dans l’industrie maritime. Cependant, la combustion de l’ammoniac libère des gaz toxiques d’oxyde d’azote.
La nouvelle réaction évite ces sous-produits toxiques. Si la réaction était logée dans une pile à combustible où l’ammoniac et le ruthénium réagissent à la surface d’une électrode, elle pourrait produire proprement de l’électricité sans avoir besoin d’un convertisseur catalytique.
“Pour une pile à combustible, nous voulons une sortie électrique, pas une entrée”, explique Wallen. « Nous avons découvert des composés chimiques qui catalysent la conversion de l’ammoniac en azote à température ambiante, sans aucune tension appliquée ni produits chimiques ajoutés. C’est le premier processus, à notre connaissance, pour le faire. »
« Pouvoir terminer la réaction de l’ammoniac à l’azote dans des conditions ambiantes – et obtenir de l’énergie – est un gros problème. »
– Jean Berry
«Nous avons une infrastructure établie pour la distribution d’ammoniac, qui est déjà produit en masse à partir d’azote et d’hydrogène dans le procédé Haber-Bosch», explique Michael Trenerry, étudiant diplômé et auteur de l’article. « Cette technologie pourrait permettre une économie de carburant sans carbone, mais c’est la moitié du puzzle. L’un des inconvénients de la synthèse de l’ammoniac est que l’hydrogène que nous utilisons pour fabriquer de l’ammoniac provient du gaz naturel et de combustibles fossiles.
Cette tendance est cependant en train de changer, car les producteurs d’ammoniac tentent de produire de l’ammoniac « vert », dans lequel les atomes d’hydrogène sont fournis par électrolyse de l’eau neutre en carbone au lieu du procédé Haber-Bosch à forte intensité énergétique.
Comme les défis de la synthèse de l’ammoniac sont relevés, selon Berry, il y aura de nombreux avantages à utiliser l’ammoniac comme source d’énergie ou carburant commun. Il est compressible, comme le propane, facile à transporter et à ranger. Bien que certaines piles à combustible à l’ammoniac existent déjà, elles nécessitent, contrairement à ce nouveau procédé, de l’énergie supplémentaire, par exemple en divisant d’abord l’ammoniac en azote et hydrogène.
Les prochaines étapes du groupe consistent à déterminer comment concevoir une pile à combustible qui tire parti de la nouvelle découverte et à envisager des moyens respectueux de l’environnement pour créer les matériaux de départ nécessaires.
“L’un des prochains défis auxquels j’aimerais réfléchir est de savoir comment générer de l’ammoniac à partir de l’eau, au lieu de l’hydrogène gazeux”, a déclaré Trenerry. “Le rêve est de mettre de l’eau, de l’air et de la lumière du soleil pour créer un carburant.”
Référence : « Spontané N2 la formation par un complexe de diruthénium permet l’oxydation électrocatalytique et aérobie de l’ammoniac » par Michael J. Trenerry, Christian M. Wallen, Tristan R. Brown, Sungho V. Park et John F. Berry, 8 novembre 2021, Chimie de la nature.
DOI : 10.1038/s41557-021-00797-w
Ce travail a été soutenu par le département américain de l’Énergie.
