Des chercheurs de l’Université de Stockholm ont réalisé une percée dans l’étude des surfaces de catalyseurs dans la production d’ammoniac, surmontant ainsi les défis antérieurs du procédé Haber-Bosch. Cette avancée, facilitée par un nouvel instrument de spectroscopie photoélectronique, promet des matériaux catalyseurs plus efficaces pour une industrie chimique plus verte et une réduction de la dépendance aux combustibles fossiles. L’image ci-dessus illustre comment la réaction catalytique de surface constitue la base de l’agriculture. Crédit : David Degerman, postdoctorant, Département de physique, Université de Stockholm
Pour la première fois, des scientifiques de l’Université de Stockholm ont étudié les surfaces des catalyseurs au fer et au ruthénium lors de la formation d’ammoniac à partir d’azote et d’hydrogène. Leurs résultats, qui offrent des informations plus approfondies sur le processus catalytique et le potentiel de découverte de matériaux plus efficaces, ont été publiés dans la revue Nature. Ces recherches ouvrent la voie à une évolution plus respectueuse de l’environnement dans l’industrie chimique, actuellement marquée par de fortes émissions de CO2.
L’ammoniac, produit selon le procédé Haber-Bosch, est actuellement l’un des produits chimiques de base les plus essentiels pour la production mondiale d’engrais, avec une production annuelle de 110 millions de tonnes. Le journal Nature a proposé en 2001 que le procédé Haber-Bosch était l’invention scientifique la plus cruciale pour l’humanité au cours du 20e siècle, puisqu’il a sauvé environ 4 milliards de vies en évitant une famine massive. Une estimation de la teneur en azote de notre corps ADN et les protéines montre que la moitié des atomes peuvent provenir de Haber-Bosch.
Défis liés à l’étude du processus Haber-Bosch
« Malgré trois prix Nobel (1918, 1931 et 2007) pour le procédé Haber-Bosch, il n’a pas été possible d’étudier expérimentalement la surface du catalyseur avec des méthodes sensibles à la surface dans des conditions réelles de production d’ammoniac ; les techniques expérimentales avec une sensibilité de surface à des pressions et des températures suffisamment élevées n’étaient pas réalisables. Par conséquent, différentes hypothèses sur l’état du catalyseur au fer comme étant métallique ou dans un nitrure, ainsi que sur la nature de l’intermédiaire espèces d’importance pour le mécanisme réactionnel, n’a pas pu être vérifiée sans ambiguïté », explique Anders Nilsson, professeur de physique chimique à l’Université de Stockholm.
L’instrument de spectroscopie photoélectronique a été construit à l’Université de Stockholm et permet d’étudier les surfaces des catalyseurs sous hautes pressions. Crédit : Peter Amman
« Ce qui a permis cette étude, c’est que nous avons construit à Stockholm un instrument de spectroscopie photoélectronique qui permet d’étudier les surfaces des catalyseurs sous hautes pressions. Ainsi, nous avons pu observer ce qui se passe lorsque la réaction se produit directement », explique David Degerman, postdoctorant en physique chimique à l’Université de Stockholm. « Nous avons ouvert une nouvelle porte dans la compréhension de la catalyse de production d’ammoniac grâce à notre nouvel instrument, qui nous permet désormais de détecter les intermédiaires de réaction et de fournir des preuves du mécanisme de réaction. »
« Placer notre instrument de Stockholm près de l’une des sources de rayons X les plus brillantes au monde à PETRA III à Hambourg a été crucial pour mener l’étude », déclare Patrick Lömker, chercheur à l’université de Stockholm. « Nous pouvons désormais imaginer l’avenir avec des sources encore plus brillantes lorsque la machine passera à PETRA IV. »
Perspectives futures et impact environnemental
« Nous disposons désormais des outils nécessaires pour mener des recherches menant à de nouveaux matériaux catalyseurs pour la production d’ammoniac qui peuvent être mieux utilisés pour s’associer à l’hydrogène produit par électrolyse pour la transition verte de l’industrie chimique », déclare Anders Nilsson.
« Il est inspirant de mener des recherches sur un sujet si lié à une réussite scientifique qui a énormément aidé l’humanité. Je suis impatient de poursuivre les recherches pour trouver de nouveaux catalyseurs susceptibles de réduire notre dépendance aux sources fossiles. L’industrie chimique représente à elle seule 8 % des émissions mondiales de CO2 », explique Bernadette Davies, doctorante en chimie des matériaux à l’université de Stockholm.
« La perspective à long terme de produire de l’ammoniac grâce à une alternative électrocatalytique directement alimentée par l’électricité solaire ou éolienne est des plus attrayantes, et nous disposons désormais d’outils pour aider scientifiquement à ce développement », déclare Sergey Koroidov, chercheur à l’Université de Stockholm. .
L’étude a été menée en collaboration avec Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) à Hambourg et à l’Université de Montan en Autriche. L’étude comprenait d’anciens employés de l’Université, Chris Goodwin, Peter Amann, Mikhail Shiplin, Jette Mathiesen et Gabriel Rodrigez.
L’étude a été financée par la Fondation Knut et Alice Wallenberg et le Conseil suédois de la recherche.
