Cet art graphique illustre la conversion de N médiée par le lithium2 à l'ammoniac. Sur la photo, une symphonie de réactions se produisant sur un lithium électrodéposé (tuiles noires). Sous haute pression, l'azote (ajout de blocs bleus) est chimisorbé sur le lithium, suivi d'une protonation (ajout de blocs blancs) pour former du NHx, conduisant finalement à l'ammoniac et à la récupération du lithium. Le processus cyclique crée un rythme catalytique produisant de l'ammoniac. Cette recherche met en évidence l'importance de la pression et du potentiel dans le contrôle de la structure et de la stabilité de l'interface solide-électrolyte vers la synthèse de l'ammoniac. Crédits : Crystal Price et Joseph Gauthier, Texas Tech University ; Meenesh Singh, Université de l'Illinois à Chicago
La méthode régénérative à basse température conserve l’énergie et génère efficacement des produits chimiques courants.
Parmi les nombreux produits chimiques que nous utilisons quotidiennement, l’ammoniac est l’un des pires pour l’atmosphère. Le produit chimique à base d’azote utilisé dans les engrais, les colorants, les explosifs et de nombreux autres produits se classe au deuxième rang après le ciment en termes d’émissions de carbone, en raison des températures élevées et de l’énergie nécessaire à sa fabrication.
Mais en améliorant une réaction électrochimique bien connue et en orchestrant une « symphonie » d’atomes de lithium, d’azote et d’hydrogène, les ingénieurs de l’Université de l’Illinois à Chicago dirigés par Meenesh Singh ont développé un nouveau processus de production d’ammoniac qui répond à plusieurs objectifs verts.
Le processus, appelé synthèse d'ammoniac par le lithium, combine de l'azote gazeux et un fluide donneur d'hydrogène tel que l'éthanol avec une électrode de lithium chargée. Au lieu de briser les molécules d’azote gazeux à haute température et pression, les atomes d’azote adhèrent au lithium, puis se combinent avec l’hydrogène pour former la molécule d’ammoniac.
La réaction fonctionne à basse température et est également régénérative, restaurant les matériaux d'origine à chaque cycle de production d'ammoniac.
La science derrière le processus
« Il y a deux boucles qui se produisent. L’une est la régénération de la source d’hydrogène et la seconde est la régénération du lithium », a déclaré Singh, professeur agrégé de génie chimique à l’UIC. « Il y a une symphonie dans cette réaction, due au processus cyclique. Ce que nous avons fait, c’est mieux comprendre cette symphonie et essayer de la moduler de manière très efficace, afin de pouvoir créer une résonance et la faire avancer plus rapidement.
Le processus, décrit dans un article publié et présenté en couverture de Matériaux et interfaces appliqués ACS, est la dernière innovation du laboratoire de Singh dans la quête d'un ammoniac plus propre. Auparavant, son groupe avait développé des méthodes pour synthétiser le produit chimique en utilisant la lumière du soleil et les eaux usées et avait créé un tamis à mailles de cuivre électrifié qui réduisait la quantité d'énergie nécessaire à la fabrication de l'ammoniac.
Leur dernière avancée repose sur une réaction qui n’est guère nouvelle. Les scientifiques le savent depuis près d’un siècle.
« L’approche basée sur le lithium se retrouve en fait dans n’importe quel manuel de chimie organique. C'est très connu », a déclaré Singh. « Mais notre contribution a été de faire en sorte que ce cycle se déroule de manière suffisamment efficace et sélective pour atteindre des objectifs économiquement réalisables. »
Ces objectifs incluent une efficacité énergétique élevée et un faible coût. S'il était étendu, le processus produirait de l'ammoniac à environ 450 dollars la tonne, soit 60 % moins cher que les approches précédentes basées sur le lithium et les autres méthodes vertes proposées, selon Singh.
Mais la sélectivité est également importante, car de nombreuses tentatives visant à rendre la production d’ammoniac plus propre ont fini par créer de grandes quantités d’hydrogène gazeux indésirable.
Avantages environnementaux et potentiel de carburant hydrogène
Les résultats du groupe Singh sont parmi les premiers à atteindre des niveaux de sélectivité et de consommation d'énergie qui pourraient répondre aux normes du ministère de l'Énergie pour la production d'ammoniac à l'échelle industrielle. Singh a également déclaré que le processus, qui peut être réalisé dans un réacteur modulaire, peut être rendu encore plus écologique en l'alimentant avec de l'électricité provenant de panneaux solaires ou d'autres sources renouvelables et en alimentant la réaction avec de l'air et de l'eau.
Le processus pourrait également contribuer à atteindre un autre objectif énergétique : l’utilisation de l’hydrogène comme carburant. La réalisation de cet objectif a été entravée par les difficultés de transport de ce liquide hautement combustible.
« Vous voulez que l’hydrogène soit généré, transporté et livré aux stations de pompage d’hydrogène, où l’hydrogène peut être acheminé vers les voitures. Mais c'est très dangereux », a déclaré Singh. « L’ammoniac pourrait servir de transporteur d’hydrogène. Son transport est très bon marché et sûr, et à destination, vous pouvez reconvertir l'ammoniac en hydrogène.
Actuellement, les scientifiques s'associent à General Ammonia Co. pour piloter et étendre leur processus de synthèse d'ammoniac à base de lithium dans une usine de la région de Chicago. Le Bureau de gestion technologique de l'UIC a déposé un brevet pour le procédé.
La recherche a été financée par des subventions de General Ammonia Co. Les co-auteurs de l'article sont Nishithan C. Kani et Ishita Goyal de l'UIC, Joseph A. Gauthier de la Texas Tech University et Windom Shields et Mitchell Shields de General Ammonia Co.
