De l’eau et de l’air suffisent à fabriquer de l’ammoniac – l’un des produits chimiques les plus importants au monde

Des chercheurs ont mis au point une méthode pour produire de l’ammoniac simplement à partir d’air et d’eau. Non seulement elle est plus efficace sur le plan énergétique que le procédé centenaire Haber-Bosch actuellement utilisé dans le monde entier, mais elle est également plus écologique.

L’ammoniac – composé de trois parties d’hydrogène et d’une partie d’azote (ou NH3) – a eu un impact considérable sur la société. Sans la production de masse de ce produit chimique, on estime que pas moins d’un tiers d’entre nous ne serait pas en vie. En effet, sa principale utilisation est la fabrication d’engrais, qui ont permis d’améliorer le rendement des cultures et de faire vivre une population nombreuse.

Développé en 1909, le procédé Haber-Bosch – souvent cité comme l’invention la plus importante du XXe siècle – consiste à chauffer de l’azote et de l’hydrogène gazeux purifiés à très haute température et pression en présence d’un catalyseur en fer. La présence du catalyseur, qui ne participe pas à la réaction mais abaisse le seuil énergétique de la réaction, est essentielle. Malgré cela, la production d’ammoniac – environ 140 millions de tonnes en 2012 – consomme près de 2 % de l’approvisionnement énergétique mondial.

En plus des importants besoins énergétiques pour obtenir les conditions de réaction, la méthode de production actuelle est inefficace car elle nécessite de l’hydrogène gazeux, obtenu par le traitement du gaz naturel. Le sous-produit de ce processus est le dioxyde de carbone. Stuart Licht et ses collègues de l’Université George Washington ont pensé qu’ils pourraient faire mieux s’ils trouvaient un moyen d’utiliser l’eau plutôt que le gaz naturel comme source d’hydrogène.

Les tentatives précédentes de combiner l’eau (composée de deux parties d’hydrogène et d’une partie d’oxygène) avec l’air (qui est composé de 78% d’azote) pour former de l’ammoniac ont été moins réussies. La solution de Licht a consisté à faire barboter de l’air humide à travers un mélange de minuscules particules d’oxyde de fer et de produits chimiques fondus (composés d’hydroxyde de sodium et de potassium) qui est zappé à l’électricité.

Toute réaction chimique consiste essentiellement en un échange d’électrons entre atomes. Dans ce cas, ces électrons sont nécessaires pour arracher l’hydrogène de l’eau, puis le combiner à l’azote. « Lorsque l’électricité est appliquée, l’oxyde de fer capture les électrons pour permettre à l’eau et à l’air de réagir directement pour former de l’ammoniac », a déclaré Licht.

Cette méthode prétend n’utiliser que deux tiers de l’énergie du procédé Haber-Bosch. Outre l’élimination de la nécessité de produire de l’hydrogène à partir de gaz naturel, les émissions globales sont réduites de manière assez significative. L’ensemble du processus se déroule également dans des conditions plus douces, ne nécessitant pas 450°C et 200 fois la pression atmosphérique comme le fait le procédé Haber-Bosch.

Ce ne sont pas les seuls éléments qui rendent la méthode de Licht attrayante. Une partie de l’énergie provient d’une autre technologie que Licht a développée, appelée production électrochimique solaire thermique, ou STEP. Cette technologie est considérée comme l’une des cellules solaires les plus efficaces actuellement utilisées. La STEP, lorsqu’elle est appliquée à la fabrication d’ammoniac, conduit à la production d’hydrogène comme sous-produit.

Ce sous-produit conviendrait aux piles à combustible à hydrogène, une autre voie populaire pour les amateurs d’énergie propre, selon David Fermin, professeur d’électrochimie à l’Université de Bristol. « L’hydrogène généré de cette manière est nettement plus propre », a-t-il déclaré.

Cependant, c’est une chose de montrer le succès de la production chimique en laboratoire et une autre de la reproduire à l’échelle industrielle. Licht admet que des améliorations sont possibles, mais il est convaincu que cela pourrait fonctionner. Fermin ajoute une mise en garde : « Avant de passer à l’échelle industrielle, il faudra mieux comprendre le mécanisme de cette réaction complexe de transfert multi-électronique. »

Mais même avec la méthode de Licht, Fermin souligne que nous sommes loin de pouvoir reproduire l’efficacité de la nature à convertir l’azote de l’air en produits chimiques utiles, ce que font les bactéries fixatrices d’azote. « Ce qui est vraiment remarquable, c’est que la nature le fait de manière incroyablement efficace à basse température », ajoute Fermin.

Et pourtant, si quelque chose de plus efficace peut remplacer le procédé Haber-Bosch, cela diminuerait l’apport énergétique de la production de l’un des produits chimiques les plus importants au monde et entraînerait une réduction notable des émissions mondiales de CO2.

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