Le MIT développe une nouvelle méthode de criblage de catalyseurs pour la synthèse électrochimique de l'ammoniac

fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont développé une nouvelle méthode de criblage de catalyseurs pour la synthèse électrochimique de l'ammoniac. En identifiant les propriétés physiques clés qui pilotent l'activité catalytique, cette méthode réduit considérablement le temps nécessaire pour trouver des catalyseurs efficaces parmi une vaste gamme de combinaisons d'alliages, soutenant ainsi une voie de production d'ammoniac à faibles émissions en remplacement du procédé Haber-Bosch traditionnel.

L'ammoniac est un produit chimique important dont la production annuelle n'est dépassée que par celle de l'acide sulfurique, et il est principalement utilisé pour la fabrication d'engrais. Actuellement, la production d'ammoniac consomme environ 2 % de l'énergie mondiale et représente environ 1,5 % des émissions de gaz à effet de serre. Plus de 90 % de la production actuelle repose encore sur le procédé Haber-Bosch, utilisé depuis plus d'un siècle, qui dépend des combustibles fossiles pour fournir la chaleur de réaction, et dont l'étape de production d'hydrogène est également principalement alimentée par des combustibles fossiles. La synthèse électrochimique de l'ammoniac évite les conditions de haute température et de haute pression, mais son rendement et son efficacité réactionnelle restent à ce jour insuffisants pour une application industrielle. La consommation mondiale annuelle d'ammoniac étant d'environ 200 millions de tonnes métriques, trouver des méthodes de production plus économes en énergie et à plus faible teneur en carbone est devenu un enjeu majeur pour le secteur.

L'équipe de recherche s'est concentrée sur les matériaux à base de nitrures de métaux de transition. L'azote intrinsèque de ces composés participe à la réaction et peut fournir une partie de l'énergie nécessaire aux étapes suivantes, contribuant ainsi à surmonter le principal obstacle de la réaction de réduction de l'azote : l'énergie élevée requise pour rompre la liaison forte de la molécule d'azote. Cependant, l'ensemble du parcours réactionnel reste limité par des étapes telles que la dissociation de l'azote et le transfert d'hydrogène. Bilge Yildiz, professeur au Département de science et génie nucléaires et au Département de science et génie des matériaux du MIT, a indiqué que l'équipe a d'abord évalué la relation entre les propriétés microstructurales des matériaux et leur activité de réduction de l'azote, puis a utilisé des simulations de la théorie de la fonctionnelle de la densité (density functional theory) et l'apprentissage automatique pour identifier les goulots d'étranglement de la réaction et prédire quelles combinaisons d'alliages pourraient les surmonter.

Le développement traditionnel de catalyseurs repose sur des essais par essais et erreurs parmi des millions d'alliages, un processus qui prend des années. La nouvelle méthode fait passer le criblage d'une recherche aléatoire à une prédiction ciblée fondée sur les propriétés physiques. Athanitis a déclaré que si l'on pouvait trouver un catalyseur qui réduit simultanément l'énergie requise pour la réaction et améliore la sélectivité de l'ammoniac, on pourrait augmenter la production d'ammoniac tout en réduisant les réactions secondaires.

Dane Morgan, professeur d'ingénierie à l'Université du Wisconsin (University of Wisconsin), a salué ces travaux, estimant qu'ils contribuent à élucider la relation entre les propriétés électroniques fondamentales des matériaux et leur action catalytique, ce qui pourrait guider la conception d'une nouvelle génération de catalyseurs pour la production d'ammoniac. Il a également souligné que cette recherche en est encore au stade théorique et que les matériaux n'ont pas encore été fabriqués et testés dans la pratique ; de nombreuses étapes supplémentaires restent nécessaires entre le criblage computationnel et un catalyseur utilisable. L'équipe de recherche prévoit ensuite de construire une cellule de réaction fonctionnelle afin d'évaluer les performances de production d'ammoniac des matériaux candidats dans des conditions opérationnelles réelles.