Un catalyseur pour produire de l'ammoniac sans effort, ou presque !

Publié par Adrien le 11/01/2022 à 09:00
Source: CNRS INC
Actuellement, la synthèse de l'ammoniac (NH3), molécule clé pour l'industrie agrochimique, nécessite des conditions de température et de pression élevées ce qui engendre 1,4 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone. Réduire ces émissions en utilisant une source d'énergie renouvelable (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être...) pour l'électrosynthèse de cette molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) à partir d'ions nitrate (Les nitrates (autrefois nommés nitre, souvent synonyme de salpêtre) sont les sels de...), c'est ce que viennent de réaliser les scientifiques de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Européen des membranes (CNRS / ENSC Montpellier / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Montpellier). Pour cela, ils ont conçu un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) qui s'inspire de la structure des sites actifs des enzymes naturelles responsables de la fixation de l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...) et qui permet d'atteindre une sélectivité proche de 100% pour la formation de NH3. Une nouvelle stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie...) pour la production d'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des...) couplée à des cellules solaires ?


@ Ji Li.

La réduction électrochimique directe du diazote (Le diazote, couramment nommé « azote » de manière incorrecte, est le...) N2, composant majoritaire de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), pour la production d'ammoniac dans des conditions douces, est limitée par plusieurs facteurs dont l'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa...) de la triple liaison N≡N, particulièrement difficile à rompre. Un moyen de contourner cette limitation est d'utiliser le nitrate NO3- comme source d'azote pour l'électrosynthèse de NH3 pour lequel les liaisons sont bien plus faciles à rompre. Massivement utilisé comme engrais (Les engrais sont des substances, le plus souvent des mélanges d'éléments...) et donc largement présent dans l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...), l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) nitrate NO3- est reconnu pour être responsable de malformations congénitales, de cancers de la thyroïde (La thyroïde ou glande thyroïde est la plus volumineuse des glandes endocrines...) et de la vessie (La vessie est l'organe du système urinaire dont la fonction est de recevoir l'urine terminale...)... Sa conversion électrochimique en ammoniac pourrait donc également constituer une stratégie potentielle de dépollution.

Une équipe internationale menée par des scientifiques de l'Institut européen des Membranes (CNRS / ENSC Montpellier / Université de Montpellier), en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Shenzhen et de l'Université de Shaanxi en Chine, ont conçu un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) qui s'inspire de la structure des sites actifs des enzymes naturelles responsables de la fixation de l'azote. Constitué d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) isolés supportés sur des nanofeuillets de MoS2 bidimensionnels, il permet de convertir les ions nitrate en ammoniac, de manière électrocatalytique, avec une sélectivité proche de 100%. Ces performances catalytiques sont parmi les plus élevées observées à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...).

Les scientifiques sont ensuite parvenus à les insérer dans un dispositif d'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de...) couplé à une cellule solaire photovoltaïque ; ils ont obtenu une efficacité de conversion solaire du nitrate en ammoniac d'environ 3,4% avec un rendement de 510 µg h-1 cm-2, une des plus hauts rapporté à ce jour pour des catalyseurs à base d'atomes individuels. Ils proposent ainsi une nouvelle stratégie pour la production d'ammoniac utilisant de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) renouvelable.

Ces travaux, menés dans le cadre du Conseil européen de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) (ERC) dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) 2020 de l'Union européenne et publiés dans la revue Advanced Functional Materials, permettent d'envisager le développement de nouvelles électrodes pour la synthèse d'ammoniac, l'un des plus importants produits de base de l'industrie pour la fabrication d'engrais et de polymères, ou comme vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) dé carboné.

Référence:
J. Li, Y. Zhang, C. Liu (Liu (chinois : 柳宿, pinyin : liǔ xiù) est une loge lunaire de...), L. R. Zheng, E. Petit, K. Qi, Y. Zhang, H. Wu, W. Wang, A. Tiberj, X. Wang, M. Chhowalla, L. Lajaunie, R. Yu, D. Voiry.
3.4 % solar-to-ammonia efficiency from nitrate using Fe single atomic catalyst supported on MoS2 nanosheets
Advanced Functional Materials 2022
https://doi.org/10.1002/adfm.202108316
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