Pour une ammoniaque écologique, il suffit d’ajouter de l’eau

Des chercheurs de Stanford ont découvert un moyen simple et écologique de fabriquer de l’ammoniac avec de minuscules gouttelettes d’eau et de l’azote de l’air.

L’ammoniac (NH3) est le point de départ de la production d’engrais chimiques pour les cultures agricoles. Pendant plus d’un siècle, le monde s’est appuyé sur le procédé Haber-Bosch pour produire de l’ammoniac en masse, une avancée qui a contribué à révolutionner l’agriculture et à nourrir une population humaine en plein essor. Mais ce procédé industriel consomme beaucoup d’énergie.

Pour briser les liaisons solides de l’azote, le procédé Haber-Bosch nécessite environ 80 à 300 atmosphères de pression et des températures de l’ordre de 572 à 1000 F (300 à 500°C). Le traitement à la vapeur du gaz naturel impliqué dans le processus libère également de grandes quantités de dioxyde de carbone, ce qui a un impact sur le climat.

Au total, pour satisfaire la demande mondiale annuelle actuelle de 150 millions de tonnes d’ammoniac, le procédé Haber-Bosch consomme plus de 2 % de l’énergie mondiale et représente environ 1 % du dioxyde de carbone émis dans l’atmosphère.

En revanche, la méthode innovante mise au point par les chercheurs de Stanford nécessite des conditions moins spécialisées.

« Nous avons été choqués de voir que nous pouvions produire de l’ammoniac dans des environnements bénins, à température et pression normales, avec seulement de l’air et de l’eau et en utilisant quelque chose d’aussi basique qu’un pulvérisateur« , a déclaré l’auteur principal de l’étude, Richard Zare, professeur de sciences naturelles Marguerite Blake Wilbur et professeur de chimie à la Stanford School of Humanities and Sciences. « Si ce processus peut être mis à l’échelle, il représenterait une nouvelle façon écologique de fabriquer de l’ammoniac, qui est l’un des processus chimiques les plus importants dans le monde. »

La nouvelle méthode utilise également peu d’énergie et est peu coûteuse, ce qui ouvre la voie à une production durable de ce précieux produit chimique. Xiaowei Song, chercheur postdoctoral en chimie à Stanford, est l’auteur principal de l’étude, publiée le 10 avril dans les Proceedings of the National Academy of Sciences.

Une nouvelle chimie issue d’une étude à l’horizon lointain

La nouvelle chimie découverte s’inscrit dans la lignée des travaux pionniers menés par le laboratoire de Zare ces dernières années sur la réactivité des micro-gouttelettes d’eau, longtemps négligée et étonnamment élevée. Dans une étude de 2019, Zare et ses collègues ont démontré de manière novatrice que le peroxyde d’hydrogène caustique se forme spontanément dans les micro-gouttelettes en contact avec des surfaces. Les expériences menées depuis ont confirmé l’existence d’un mécanisme de saut de charge électrique entre les matériaux liquides et solides, générant des fragments moléculaires, connus sous le nom d’espèces réactives de l’oxygène.

Pour aller plus loin, Song et Zare ont entamé une collaboration avec le coauteur de l’étude, Basheer Chanbasha, professeur de chimie à l’université King Fahd du pétrole et des minéraux en Arabie saoudite. Chanbasha est spécialisé dans les nanomatériaux pour les applications énergétiques, pétrochimiques et environnementales et est venu à Stanford en tant que chercheur invité l’été dernier.

L’équipe de recherche s’est concentrée sur un catalyseur – terme désignant toute substance qui augmente la vitesse d’une réaction chimique sans être elle-même dégradée ou modifiée par la réaction – dont elle pensait qu’il pourrait contribuer à ouvrir une voie chimique vers l’ammoniac. Le catalyseur se compose d’un oxyde de fer, appelé magnétite, et d’une membrane synthétique inventée dans les années 1960, composée de chaînes répétitives de deux grosses molécules.

Les chercheurs ont appliqué le catalyseur à une maille de graphite que Song a incorporée dans un pulvérisateur à gaz. Le pulvérisateur a projeté des micro-gouttelettes dans lesquelles l’eau pompée (H2O) et l’azote moléculaire comprimé (N2) ont réagi ensemble en présence du catalyseur. À l’aide d’un appareil appelé spectromètre de masse, M. Song a analysé les caractéristiques des micro-gouttelettes et a détecté la signature de l’ammoniac dans les données recueillies.

Synthèse de l’ammoniac à faible technologie et à faible consommation d’énergie

Zare et ses collègues sont très satisfaits de ce résultat, surtout si l’on tient compte de l’approche relativement peu technique. « Notre méthode ne nécessite pas l’application d’une tension électrique ou d’une forme de rayonnement« , a déclaré M. Zare.

D’un point de vue chimique plus large, la méthode est remarquable en ce qu’elle utilise trois phases de la matière : l’azote sous forme de gaz, l’eau sous forme de liquide et le catalyseur sous forme de solide. « À notre connaissance, l’idée d’utiliser un gaz, un liquide et un solide en même temps pour provoquer une transformation chimique est une première en son genre et présente un énorme potentiel pour faire progresser d’autres transformations chimiques« , a déclaré M. Zare.

Bien que prometteuse, la méthode de production d’ammoniac révélée par Zare, Song et Chanbasha n’en est pour l’instant qu’au stade de la démonstration. Les chercheurs prévoient d’étudier la manière de concentrer l’ammoniac produit et d’évaluer comment le processus pourrait être mis à l’échelle pour atteindre des niveaux commercialement viables. Alors que le procédé Haber-Bosch n’est efficace que lorsqu’il est mis en œuvre dans de vastes installations, la nouvelle méthode de production d’ammoniac pourrait être portable et réalisée sur place, voire à la demande, dans les exploitations agricoles. Cela permettrait de réduire les émissions de gaz à effet de serre liées au transport de l’ammoniac depuis des usines éloignées.

« En poursuivant le développement, nous espérons que notre méthode de production d’ammoniac pourra contribuer à résoudre les deux problèmes majeurs qui se profilent à l’horizon : continuer à nourrir la population croissante de la Terre, qui compte des milliards de personnes, tout en atténuant le changement climatique« , a déclaré M. Zare. « Nous avons bon espoir et sommes impatients de poursuivre cette ligne de recherche.« 

Cette recherche a été financée en partie par l’Office de la recherche scientifique de l’armée de l’air américaine dans le cadre de l’initiative de recherche universitaire multidisciplinaire.