fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de l'Université technique de Vienne (TU Wien) ont montré comment optimiser la conception de catalyseurs pour réaliser une synthèse d'ammoniac alimentée par l'énergie solaire, en utilisant la lumière du soleil, l'eau, l'air et des catalyseurs organométalliques. Cette étude fournit des informations clés pour le développement de technologies de production d'ammoniac plus efficaces et plus durables.
Développé il y a plus d'un siècle, le procédé Haber-Bosch convertit l'azote de l'air en ammoniac, devenant ainsi un composant essentiel de la plupart des engrais synthétiques. Aujourd'hui, environ la moitié de la production alimentaire mondiale dépend des engrais dérivés de l'ammoniac, faisant du procédé Haber-Bosch l'une des innovations industrielles les plus importantes de l'histoire humaine. Cependant, l'énergie nécessaire à la production d'ammoniac représente environ 1,2 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, ce qui pousse les chercheurs du monde entier à rechercher des méthodes de production plus propres et plus durables. Les scientifiques ont développé une voie alternative durable de synthèse de l'ammoniac en utilisant des réseaux métallo-organiques (MOF) comme catalyseurs. Les chercheurs de l'Université technique de Vienne ont désormais démontré qu'il est possible de moduler spécifiquement la structure des MOF pour ajuster leurs propriétés catalytiques, offrant ainsi des informations précieuses pour la conception de technologies de production d'ammoniac plus efficaces et plus durables. Ce projet est le fruit d'une collaboration internationale : les mesures clés proviennent de l'Université Virginia Tech aux États-Unis, et les simulations informatiques ont été réalisées par le Technion – Institut de technologie d'Israël.
Pour produire de l'ammoniac (NH₃), il faut d'abord activer les molécules d'azote présentes dans l'air sous forme de N₂, afin qu'elles réagissent avec l'hydrogène. Il s'agit de l'une des liaisons les plus fortes en chimie, les deux atomes d'azote étant reliés par une triple liaison extrêmement stable. Dans le procédé Haber-Bosch traditionnel, ce processus nécessite une pression supérieure à 150 bars et une température d'au moins 400 °C, des conditions extrêmes qui rendent le procédé très énergivore. La nature offre une voie plus douce : certaines bactéries utilisent des nitrogénases contenant du fer pour fixer et transformer les molécules d'azote dans des conditions modérées. Un effet similaire peut être obtenu avec des réseaux métallo-organiques (MOF), des matériaux poreux dans lesquels des ions métalliques sont liés à des composés organiques spécifiques pour former des structures plus grandes. « Comme dans les nitrogénases naturelles, nous utilisons également du fer dans les MOF – un métal relativement bon marché et facilement disponible », explique le Dr Cornelia Baeckmann de l'Université technique de Vienne. « La question clé de notre recherche est : comment ajuster les ligands organiques pour que le matériau puisse produire de l'ammoniac ? »
« Lorsque la lumière est absorbée par le MOF, un état excité est créé, la charge se redistribue, en particulier vers le centre de fer », explique le professeur Dominik Eder de l'Université technique de Vienne. « Les connecteurs organiques environnants modulent les propriétés du MOF, influençant ainsi ses performances catalytiques. » De cette manière, les connecteurs organiques affectent la cinétique de transfert d'électrons, la force de liaison de l'azote et l'accessibilité des protons de l'eau environnante aux sites actifs. Une fois que la molécule d'azote se fixe sur un site de fer approprié, sa triple liaison extrêmement stable est affaiblie et devient plus réactive, puis, par des transferts successifs d'électrons et de protons, la molécule est progressivement convertie en ammoniac.
« Nous montrons que de petites modifications des ligands organiques peuvent modifier considérablement l'activité catalytique », déclare Jana Bischoff, première auteure de l'étude et chercheuse à l'Institut de chimie des matériaux de l'Université technique de Vienne. « Nous avons étudié une série de MOF contenant différents ligands organiques pour comprendre comment moduler l'activité de production d'ammoniac. » Bien que ces travaux ne soient pas encore le signal de départ pour une production industrielle d'ammoniac, ils constituent une étape importante dans cette direction. Les réseaux métallo-organiques (MOF) ouvrent de nouvelles voies prometteuses pour la conception de catalyseurs sur mesure destinés à des processus énergétiquement exigeants et d'importance mondiale comme la synthèse de l'ammoniac.
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