Des chercheurs de l’université de Sydney ont exploité la foudre artificielle pour mettre au point une méthode plus efficace de production d’ammoniac, l’un des produits chimiques les plus importants au monde. L’ammoniac est également le principal ingrédient des engrais qui représentent près de la moitié de la production alimentaire mondiale.
L’équipe a réussi à mettre au point une méthode plus simple pour produire de l’ammoniac (NH3) sous forme gazeuse. Les efforts précédents d’autres laboratoires avaient permis de produire de l’ammoniac sous forme de solution (ammonium, NH4+), ce qui nécessite davantage d’énergie et de processus pour le transformer en produit gazeux final.
La méthode actuelle de production d’ammoniac, le procédé Haber-Bosch, a un coût climatique élevé et laisse une empreinte carbone importante. Elle doit également être mise en œuvre à grande échelle et à proximité de sources de gaz naturel bon marché pour être rentable.
Le processus chimique qui a nourri le monde, et l’équipe de Sydney qui cherche à le révolutionner
L’ammoniac naturel (principalement sous forme de fientes d’oiseaux) était autrefois si demandé qu’il a alimenté des guerres.
L’invention du procédé Haber-Bosch au XIXe siècle a rendu possible la production d’ammoniac artificiel et a révolutionné l’agriculture et l’industrie modernes. Actuellement, 90 % de la production mondiale d’ammoniac repose sur le procédé Haber-Bosch.
« L’appétit de l’industrie pour l’ammoniac ne cesse de croître. Depuis une dizaine d’années, la communauté scientifique mondiale, y compris notre laboratoire, cherche à découvrir un moyen plus durable de produire de l’ammoniac sans recourir aux combustibles fossiles. »
« Actuellement, la production d’ammoniac nécessite une production centralisée et un transport du produit sur de longues distances. Nous avons besoin d’un « ammoniac vert » peu coûteux, décentralisé et évolutif », a déclaré le professeur PJ Cullen, chercheur principal à la faculté d’ingénierie chimique et biomoléculaire de l’université de Sydney et au Net Zero Institute. Son équipe travaille depuis six ans sur la production d’« ammoniac vert ».
« Dans le cadre de cette recherche, nous avons réussi à mettre au point une méthode qui permet de convertir l’air en ammoniac sous forme gazeuse à l’aide d’électricité. C’est un grand pas vers nos objectifs. »
L’ammoniac contient trois molécules d’hydrogène, ce qui signifie qu’il peut être utilisé comme vecteur et source d’hydrogène efficace comme source d’énergie, voire comme moyen efficace de stockage et de transport de l’hydrogène. Les organismes industriels ont découvert qu’ils pouvaient accéder à l’hydrogène en « craquant » l’ammoniac pour séparer les molécules afin d’utiliser l’hydrogène.
L’ammoniac est également un candidat sérieux pour être utilisé comme combustible sans carbone en raison de sa composition chimique. Cela a suscité l’intérêt de l’industrie maritime, qui est responsable d’environ 3 % de toutes les émissions mondiales de gaz à effet de serre.
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Résoudre une énigme chimique
La nouvelle méthode de l’équipe du professeur Cullen pour produire de l’ammoniac consiste à exploiter la puissance du plasma, en électrifiant ou en excitant l’air.
Mais la vedette est un électrolyseur à membrane, une boîte argentée d’apparence banale, où se produit la conversion en ammoniac gazeux.
Au cours du procédé Haber-Bosch, l’ammoniac (NH3) est produit en combinant des gaz azote (N2) et hydrogène (H2) à haute température et sous haute pression en présence d’un catalyseur (une substance qui accélère une réaction chimique).
La méthode basée sur le plasma mise au point par l’équipe du professeur Cullen utilise l’électricité pour exciter les molécules d’azote et d’oxygène présentes dans l’air. L’équipe fait ensuite passer ces molécules excitées dans l’électrolyseur à membrane afin de les convertir en ammoniac.
Les chercheurs affirment qu’il s’agit d’un procédé plus simple pour produire de l’ammoniac.
Le professeur Cullen a déclaré que ces résultats marquent une nouvelle étape dans la production d’ammoniac vert. L’équipe travaille actuellement à rendre cette méthode plus efficace sur le plan énergétique et plus compétitive par rapport au procédé Haber-Bosch.
« Cette nouvelle approche est un processus en deux étapes, à savoir la combinaison du plasma et de l’électrolyse. Nous avons déjà rendu le composant plasma viable en termes d’efficacité énergétique et d’évolutivité. »
« Pour créer une solution plus complète pour une production d’ammoniac durable, nous devons améliorer l’efficacité énergétique du composant électrolyseur », a conclu le professeur Cullen.
Article : « Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion » – DOI : 10.1002/anie.202508240
Source : U. Sydney
