Des chercheurs de Stanford trouvent une nouvelle façon de produire de l'ammoniac qui n'émet pas de CO2

Dans un projet du Zarelab de Stanford, les scientifiques Richard Zare, Xiaowei Song et Chanbasha Basheer ont découvert un nouveau procédé chimique respectueux de l'environnement qui, selon eux, pourrait transformer la façon dont nous créons l'ammoniac, la base de l'engrais le plus répandu au monde. En 2022, la production mondiale d'ammoniac était d'environ 150 millions de tonnes métriques.

L'ammoniac (NH3), un composé inorganique d'azote et d'hydrogène, sert de bloc de construction pour créer des engrais chimiques pour les cultures agricoles. Environ 70% de l'ammoniac est utilisé pour les engrais pour aider à la croissance des plantes tandis que les 30% restants sont principalement utilisés pour les plastiques, les explosifs et les fibres synthétiques.

Depuis plus de 100 ans, l'ammoniac est créé avec le procédé Haber-Bosch, qui convertit l'azote en ammoniac pour les engrais. Le processus utilise environ 2% de l'énergie mondiale et contribue à 1,3% des émissions mondiales de dioxyde de carbone chaque année, selon Richard Zare, directeur du Zarelab et professeur Marguerite Blake Wilbur en sciences naturelles à Stanford.

"Il est bien reconnu que le procédé Haber-Bosch est l'un des procédés industriels les plus importants en chimie. C'est après tout ce que les gens utilisent pour nourrir le monde", a déclaré Zare. "Les gens pensaient à la fin des années 1800 que nous allions tous mourir de faim parce que la population augmentait plus vite que nous ne pouvions fabriquer des plantes à manger. Ce qui nous a sauvés, c'est un développement incroyable de Fritz Haber qui a appris à prendre de l'azote et à le transformer. en ammoniaque."

Selon Zare, ce processus est énergivore car la molécule d'azote est assez inerte, ce qui signifie qu'elle ne réagit pas facilement avec l'hydrogène pour former l'ammoniac souhaité. Les atomes d'hydrogène doivent provenir d'une source, et le procédé Haber-Bosch utilise de la vapeur (H2O) pour convertir le gaz naturel (méthane, CH4) en H2 et CO, obtenant les atomes d'hydrogène. Avec plus de vapeur ajoutée, le CO est ensuite converti en dioxyde de carbone (CO2) et davantage d'atomes d'hydrogène sont générés.

Ce processus est donc un énorme émetteur de gaz à effet de serre. Zare a déclaré qu'il est estimé que 7% des émissions mondiales de CO2 industriel proviennent de la production d'ammoniac.

Dans le nouveau procédé de Zare, Song et Basheer pour créer de l'ammoniac, la source d'hydrogène n'est pas le méthane mais plutôt l'eau, et en tant que tel, aucun dioxyde de carbone n'est émis. Leur processus n'implique également aucune tension appliquée, aucune irradiation par une source lumineuse et est réalisé à température ambiante et pression atmosphérique.

Leur découverte s'appuie sur des recherches récentes du Zarelab qui examinent la haute réactivité des microgouttelettes d'eau. L'eau en vrac a tendance à être bénigne et inerte, mais les gouttelettes d'eau sont très réactives. Selon Song, ces microgouttelettes peuvent être considérées comme de la brume provenant d'un humidificateur. "Ce sont de minuscules propriétés", a-t-il déclaré.

Zare a déclaré que le laboratoire avait découvert que des microgouttelettes d'eau produisaient une forte réaction chimique lorsqu'elles heurtaient des surfaces dures. Pour produire de l'ammoniac, l'équipe de scientifiques rompt les liaisons azotées en déplaçant des microgouttelettes d'eau, de l'azote gazeux et de l'oxyde de fer à travers un pulvérisateur à essence. Le processus repose sur la capacité des microgouttelettes d'eau à réagir sur des surfaces dures.

L'oxyde de fer sert de catalyseur pour la réaction - accélérant la réaction sans être modifié par la réaction. Les chercheurs ont mis le catalyseur dans une maille en graphite pour le pulvérisateur. Le pulvérisateur libère alors des microgouttelettes, où l'eau pompée et l'azote réagissent à l'aide du catalyseur pour former de l'ammoniac (NH3).

Lorsque l'équipe a découvert qu'elle pouvait créer de l'ammoniac sans CO2, elle était excitée, selon Song, mais prudente.

"Nous avons dû être tortueux pour savoir si c'était le résultat attendu, et nous devions avoir de nombreux contrôles", a déclaré Song.

"Pour que cela soit un gros problème, il doit être étendu et démontré que toutes les étapes impliquées ont un bon sens économique", a déclaré Zare. "Nous n'avons pas encore résolu le problème - ce sont encore de petites gouttelettes dont nous parlons."

Zare a déclaré que la prochaine étape pour faire évoluer ce projet est de collaborer avec des ingénieurs. Il a déclaré que le délai pour avoir de l'ammoniac à grande échelle devrait prendre moins de cinq ans, mais cela prendra au moins un an. Il a ajouté que le processus Haber-Bosch avait mis cinq ans à se terminer.

"Il s'agit d'une avancée clé qui peut améliorer considérablement la durabilité de la production d'ammoniac si elle est déployée à grande échelle", a déclaré Eric McShane, chercheur postdoctoral en génie chimique au sein du groupe Cargnello de Stanford. "L'utilisation de l'eau au lieu de l'hydrogène comme matière première pour la production d'ammoniac pourrait réduire les besoins énergétiques globaux pour la production d'ammoniac."

McShane a également convenu avec les chercheurs que "le défi est de faire évoluer leur processus et d'assurer un rendement en ammoniac suffisamment élevé".

"Si cela fonctionne vraiment, c'est énorme", a déclaré Zare. "Cela réduirait le coût de la nourriture et cela nous aiderait en ce qui concerne le changement climatique. C'est énorme si cela peut vraiment être fait."

Anna McNulty '24 est rédactrice sur le climat au Daily. Contactez-la à news 'at' stanforddaily.com.