Un pas important vers des engrais chimiques plus verts

Publié par Adrien le 05/10/2020 à 09:00
Source: Université Laval
Les plantes ont de grands besoins en azote et l'agriculture intensive y répond en faisant appel aux engrais chimiques azotés. Ce type d'engrais est au coeur de la production agricole mondiale - c'était l'un des piliers de la Révolution verte des années 1950 -, mais elle s'accompagne d'une facture salée. On lui attribue 2% des dépenses énergétiques planétaires.

Deux chercheurs québécois, Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm, heaume, casque, protection.) Bélanger-Chabot, du Département de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) de l'Université Laval (L’Université Laval est l'une des plus grandes universités au Canada. Elle a comme origine le Séminaire de Québec, fondé en 1663 et constitue ainsi le plus ancien établissement d’enseignement...), et Marc-André Légaré, de l'Université McGill (L’Université McGill, située à Montréal au Québec, est une des universités les plus anciennes au Canada.), font partie d'une équipe dont les travaux pourraient conduire à la mise au point (Graphie) d'un procédé beaucoup moins énergivore de production des engrais (Les engrais sont des substances, le plus souvent des mélanges d'éléments minéraux, destinées à apporter aux plantes des compléments d'éléments nutritifs, de...) azotés. Les détails de la percée qu'ils ont réalisée dans ce domaine viennent de paraître dans la revue Nature Chemistry.

Pour produire des engrais azotés, l'industrie chimique utilise de l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz...) atmosphérique comme point de départ. "Ce gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre :...), le diazote (Le diazote, couramment nommé « azote » de manière incorrecte, est le nom de la molécule diatomique composée de deux atomes d'azote. Elle est notée N2.), est un composé très stable formé de deux atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...) d'azote ayant une triple liaison, rappelle Guillaume Bélanger-Chabot. C'est le bris de cette liaison qui demande le plus d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Pour faire des composés utiles à partir du diazote, l'industrie utilise le procédé Haber-Bosch qui, dans des conditions de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) et de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) élevées et en présence de métaux, fait réagir l'azote avec l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) pour donner de l'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des nitrures d'hydrogène). C'est une molécule pyramidale à base trigonale : l'atome d'azote (N) est au sommet et les trois atomes...). Depuis plusieurs décennies, on cherche de nouvelles façons moins énergivores de réaliser cette étape."

Les professeurs Bélanger-Chabot et Légaré se sont penchés sur la question lors d'un stage (Un stage est le plus souvent une période de formation, d'apprentissage ou de perfectionnement qui dure quelques jours à plusieurs mois dans un lieu adapté :) postdoctoral réalisé dans l'équipe du professeur Holger Braunschweig, à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Würzburg située en Bavière. La solution à laquelle ils sont arrivés fait intervenir des composés réactifs du bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.), un élément utilisé, entre autres, dans la fabrication de détergents,

Grâce à des composés réactifs du bore, les chercheurs parviennent à capturer le diazote (N2), à en briser le lien NN, et de là, à lancer une cascade de réactions qui se solde par la synthèse d'ammoniac (NH3) ou d'ammonium (L'ion ammonium (de formule NH4+) est un ion polyatomique de charge électrique positive (c'est donc plus précisément un cation polyatomique). Il est obtenu par protonation de l'ammoniac...) (NH4) pouvant servir à la production d'engrais. "Le procédé est réalisé à la température de la pièce. On place les réactifs dans un seul récipient et les réactions se déroulent de façon séquentielle", précise le professeur Bélanger-Chabot.

Ce procédé nécessite de l'hydrogène. "Au moment de faire la preuve de concept, nous avons eu l'idée d'utiliser une bière locale comme source de H+, souligne le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de...). Les Bavarois sont fiers de leur bière et nous trouvions que c'était une façon sympathique de saluer cet élément de leur culture (La définition que donne l'UNESCO de la culture est la suivante [1] :). Les ions H+ de la bière proviennent majoritairement de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) qu'elle contient. Il est cependant plus efficace de faire appel à l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique complémentaire, les bases.) borique comme source de H+."

Le professeur Bélanger-Chabot estime que cette percée est significative sur le plan fondamental, mais qu'une étape importante devra être franchie avant de songer à des applications industrielles. "Présentement, il faut 1 molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) de composé réactif de bore pour produire 1 molécule d'ammoniac. Il faudrait trouver une façon de rendre la réaction catalytique, c'est-à-dire que la même molécule du composé de bore puisse produire des milliers, voire des millions, de molécules d'ammoniac. C'est essentiel pour parvenir à produire à la tonne ( La tonne représente différentes unités de mesure ; Une tonne est un grand et large tonneau ; Une tonne-pompe est un fourgon d'incendie ; En zoologie, la tonne cannelée est un mollusque gastéropode. ...), de façon économiquement rentable, des engrais azotés."
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