Des chercheurs de l'Université Alliance Ruhr, en Allemagne, ont découvert un catalyseur permettant de convertir l'ammoniac en hydrogène et en nitrite, combinant ainsi potentiellement la production d'hydrogène et la création d'engrais. En utilisant des électrodes à diffusion gazeuse et un catalyseur multi-métal adapté, ils ont obtenu un taux de conversion d'électrons significatif et ont démontré la faisabilité de combiner la réaction Haber-Bosch inverse avec l'électrolyse de l'eau, bien que l'application industrielle soit encore lointaine.
Des chercheurs allemands ont créé un catalyseur qui convertit l'ammoniac en hydrogène et en nitrite, combinant potentiellement la production d'hydrogène et la création d'engrais en un seul processus.
Une équipe de recherche de l'Université Alliance Ruhr en Allemagne a découvert un catalyseur capable de convertir l'ammoniac en hydrogène, un vecteur énergétique, et en nitrite, un précurseur d'engrais. Traditionnellement, la production d'hydrogène et d'engrais implique des processus chimiques distincts.
Avec cette nouvelle approche, l'équipe de l'Université de la Ruhr à Bochum et de l'Université de Duisbourg-Essen démontre que les deux peuvent être combinées à l'échelle du laboratoire. Le groupe de Bochum dirigé par Ieva Cechanaviciute et le professeur Wolfgang Schuhmann présente les résultats avec Bhawana Kumari et la professeure Corina Andronescu de l'Université de Duisbourg-Essen dans la revue Angewandte Chemie International Edition.
L'hydrogène peut être produit en divisant l'eau (H2O) en hydrogène (H2) et l'oxygène (O2) à l’aide de l’énergie électrique. Pour que ce processus soit durable, l’énergie doit provenir de sources renouvelables. « Cela ne peut se faire que dans un pays où il y a beaucoup d’espace pour l’énergie éolienne et beaucoup de soleil pour le photovoltaïque, par exemple en Namibie », explique Wolfgang Schuhmann. Pour construire une économie basée sur l’hydrogène en Allemagne, il faut donc l’importer de pays lointains. Le problème est que la liquéfaction de l’hydrogène pour le transport nécessite beaucoup d’énergie, car il ne devient liquide qu’à des températures extrêmement basses de moins 253 degrés. Celsius ou des pressions élevées.
Ieva Cechanaviciute. Crédit : RUB, Marquard
L'ammoniac est plus facile à transporter que l'hydrogène
D’autres solutions envisagent de transformer l’hydrogène en ammoniac sur le site de production, car celui-ci devient liquide à moins 33 degrés Celsius. Il présente également une densité énergétique plus élevée. « Un camion-citerne rempli d’ammoniac liquide transporterait environ 2,5 fois plus d’énergie qu’un camion-citerne rempli d’hydrogène liquide », explique Schuhmann. Enfin, l’ammoniac devrait être reconverti en hydrogène sur le lieu d’utilisation. Cela se fait généralement par la réaction inverse de Haber-Bosch, dans laquelle l’ammoniac (NH3) est converti en azote (N2) et l'hydrogène (H2). Des deux produits, cependant, seul l’hydrogène peut être utilisé de manière rentable.
Doubler le rendement en hydrogène
« Nous avons donc eu l’idée de combiner la réaction inverse de Haber-Bosch avec une seconde électrolyse de l’eau pour obtenir un produit qui peut facilement être utilisé pour la production d’engrais, comme le nitrite ou le nitrate, à la place de l’azote », explique Ieva Cechanaviciute. Dans cette réaction, l’ammoniac (NH3) et de l'eau (H2O) sont consommés pour produire du nitrite (NO2–) et l'hydrogène (H2). Contrairement à la réaction Haber-Bosch inverse, la production d'hydrogène est doublée et au lieu d'azote non utilisable, on produit principalement du nitrite, qui peut être transformé en engrais.
Pour la réaction, l’équipe a utilisé des électrodes à diffusion gazeuse dans lesquelles l’ammoniac peut être introduit sous forme gazeuse. « Cela n’avait jamais été fait auparavant », explique Wolfgang Schuhmann. « L’ammoniac était toujours utilisé sous forme dissoute. »
RUB, MarquardUne partie de l'équipe de recherche de Bochum : Ieva Cechanaviciute et Wolfgang Schuhmann. Crédit : RUB, Marquard
Surmonter le canyon thermodynamique
L'un des défis pour les chercheurs était de trouver un catalyseur approprié avec lequel leur idée pourrait être réalisée. En effet, le matériau de départ NH3 L’azote se transforme en azote en raison de la très forte triple liaison azote-azote et non en nitrite. « Nous avons d’abord dû franchir ce grand canyon thermodynamique », explique Cechanaviciute. Dans le cadre de travaux antérieurs, l’équipe avait déjà expérimenté des catalyseurs multimétalliques, qui se sont révélés adaptés à cet usage. Ils ont pu convertir 87 % des électrons transférés en nitrite. L’équipe a également réussi à éviter l’oxygène comme sous-produit indésirable de l’électrolyse de l’eau.
« Nos travaux montrent que notre expérience de Gedanken peut fonctionner en principe », résume Wolfgang Schuhmann. « Mais nous sommes encore loin d’une mise en œuvre technique à l’échelle industrielle. »
L’étude a été financée par la Fondation allemande pour la recherche et le Conseil européen de la recherche.
