Un nouveau composé découvert au Japon facilite le stockage de l’ammoniac

Un nouveau chapitre sur le stockage d’ammoniac pourrait s’ouvrir grâce aux travaux du Centre RIKEN pour la Science de la Matière Émergente (CEMS) au Japon. L’annonce d’un composé capable de stocker l’ammoniac par réaction chimique suscite une attention toute particulière de la communauté des scientifiques*.

Le défi du stockage de l’hydrogène

La transition de notre société vers une économie basée sur l’hydrogène repose sur un défi majeur : trouver un moyen sûr de stocker et transporter l’hydrogène, élément hautement inflammable. Une approche consiste à le conserver au sein d’une autre molécule, et à l’extraire en fonction des besoins.

L’ammoniac, dont la formule chimique est NH3, est un porteur d’hydrogène potentiellement efficace, car chaque molécule d’ammoniac contient trois atomes d’hydrogène, ce qui représente près de 20% de son poids.

Les obstacles au stockage de l’ammoniac

Cependant, l’ammoniac, gaz hautement corrosif, présente des défis pour son stockage et son utilisation. Habituellement, l’ammoniac est conservé en le liquéfiant à des températures bien en dessous de zéro dans des contenants résistants à la pression. Des composés poreux permettent également le stockage d’ammoniac à température ambiante et à pression atmosphérique, mais la capacité de stockage est faible et l’extraction d’ammoniac n’est pas toujours aisée.

Une découverte prometteuse

Le centre RIKEN CEMS a découvert un pérovskite, un matériau au motif cristallin répétitif, capable de stocker facilement l’ammoniac tout en permettant une extraction complète à des températures relativement basses.

L’équipe de recherche, dirigée par Masuki Kawamoto, a concentré ses efforts sur l’ethylammonium lead iodide (EAPbI3), dont la formule chimique est CH3CH2NH3PbI3.

Ce composé voit sa structure colonnaire unidimensionnelle réagir chimiquement avec l’ammoniac à température et pression ambiante, transformant sa structure en une structure lamellaire bidimensionnelle appelée hydroxyde d’iode de plomb, ou Pb(OH)I.

Stockage et récupération d’ammoniac optimisés

Grâce à cette réaction, l’ammoniac est stocké au sein de la structure lamellaire par conversion chimique. Le composé EAPbI3 permet ainsi de stocker le gaz ammoniac corrosif sous forme d’un composé azoté de manière plus économique que la liquéfaction à -33°C dans des récipients sous pression. Plus important encore, le processus de récupération de l’ammoniac stocké est tout aussi simple.

« À notre grande surprise, l’ammoniac stocké dans l’ethylammonium lead iodide pouvait être facilement extrait en le chauffant doucement« , explique Masuki Kawamoto. Le composé azoté stocké subit une réaction inverse à 50°C sous vide et redevient de l’ammoniac. Cette température est bien inférieure aux 150°C ou plus nécessaires pour extraire l’ammoniac de composés poreux, ce qui fait de l’EAPbI3 un excellent support pour manipuler les gaz corrosifs de manière simple et rentable.

Une méthode réutilisable et indicateur de niveau

Après avoir repris sa structure colonnaire unidimensionnelle, le pérovskite peut être réutilisé, permettant un stockage et une extraction répétés de l’ammoniac. De plus, le composé, normalement de couleur jaune, devient blanc après la réaction.

Masuki Kawamoto suggère que « la capacité du composé à changer de couleur lors du stockage de l’ammoniac signifie que des capteurs d’ammoniac basés sur la couleur peuvent être développés pour déterminer la quantité d’ammoniac stockée« .

Des applications multiples

La nouvelle méthode de stockage pourrait avoir de multiples utilisations à court terme, telles que l’offre d’un moyen sûr de stocker l’ammoniac, déjà utilisé dans divers secteurs, allant de l’agriculture à la pharmacie en passant par le textile.

À plus long terme, Yoshihiro Ito, co-auteur de l’étude, espère que « cette méthode simple et efficace peut contribuer à la réalisation d’une société décarbonée grâce à l’utilisation de l’ammoniac comme vecteur d’hydrogène sans carbone« .

En synthèse

La découverte de RIKEN CEMS est une promesse pour l’avenir d’une économie d’hydrogène. Le nouveau composé découvert permet le stockage de l’ammoniac de manière sûre et facile, offrant une solution à la fois efficace et économique pour manipuler ce gaz corrosif. Des recherches supplémentaires seront nécessaires pour explorer l’ensemble des implications pratiques et commerciales de cette découverte, notamment pour évaluer sa viabilité à grande échelle.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que le Centre RIKEN pour la Science de la Matière Émergente (CEMS) ?

Le Centre RIKEN pour la Science de la Matière Émergente (CEMS) est une institution de recherche japonaise de renommée mondiale. Il est connu pour sa recherche interdisciplinaire de pointe dans les domaines de la physique, de la chimie et des sciences des matériaux.

2. Quelle a été la découverte du CEMS concernant l’ammoniac ?

Les chercheurs du CEMS ont découvert un composé, le pérovskite éthylammonium plomb iodide (EAPbI3), capable de stocker l’ammoniac par une réaction chimique à température ambiante. Ce composé transforme l’ammoniac en un autre composé, le plomb iodide hydroxide, ou Pb(OH)I, qui est beaucoup moins corrosif et plus facile à gérer.

3. Qu’est-ce que l’ammoniac et pourquoi est-il important de le stocker ?

L’ammoniac, ou NH3, est un composé chimique qui contient trois atomes d’hydrogène pour chaque atome d’azote. Il est très important dans de nombreux domaines, notamment l’agriculture, la pharmaceutique et l’industrie textile. De plus, en raison de sa forte teneur en hydrogène, il est considéré comme un excellent vecteur d’hydrogène pour une économie de l’hydrogène.

4. Pourquoi cette découverte est-elle importante ?

Cette découverte est importante car elle pourrait permettre une utilisation plus sûre et plus pratique de l’ammoniac comme vecteur d’hydrogène. L’hydrogène est une source d’énergie propre qui ne produit pas de carbone lorsqu’elle est brûlée, mais son stockage et son transport posent des défis majeurs en raison de sa combustibilité élevée. En stockant l’hydrogène sous forme d’ammoniac dans le composé EAPbI3, ces défis pourraient être surmontés.

5. Quels sont les avantages du EAPbI3 par rapport aux méthodes de stockage actuelles de l’ammoniac ?

Les méthodes actuelles de stockage de l’ammoniac impliquent généralement sa liquéfaction à des températures très basses dans des contenants résistant à la pression, ou son stockage dans des composés poreux à température et pression ambiante. Cependant, ces méthodes ont des limites, notamment le coût et la difficulté d’extraction de l’ammoniac. Le EAPbI3, en revanche, peut stocker l’ammoniac à température et pression ambiante et permet une extraction facile à une température relativement basse.

6. Quelles sont les applications potentielles de cette découverte ?

À court terme, cette découverte peut permettre un stockage plus sûr et plus efficace de l’ammoniac, qui a de nombreuses utilisations dans la société. À long terme, elle peut contribuer à la réalisation d’une économie de l’hydrogène, où l’hydrogène est utilisé comme source d’énergie propre et abordable.

7. Quelles sont les limites et les défis liés à l’utilisation de ce nouveau composé ?

Bien que cette découverte soit prometteuse, il reste encore des défis à relever. Par exemple, le processus exact par lequel l’ammoniac est stocké et extrait doit être mieux compris et optimisé. De plus, des tests supplémentaires sont nécessaires pour déterminer la stabilité et la sécurité à long terme de l’EAPbI3.

* Les résultats ont été publiés dans le Journal of the American Chemical Society le 10 juillet.

Chemical storage of ammonia through dynamic structural transformation of a hybrid perovskite compound, Journal of the American Chemical Society (2023). DOI : 10.1021/jacs.3c04181