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Un nouveau réacteur pourrait réduire de moitié les émissions de dioxyde de carbone provenant de la production d’ammoniac

Un nouveau réacteur pourrait réduire de moitié les émissions de dioxyde de carbone provenant de la production d’ammoniac

Pour nourrir plus de 7 milliards d’âmes affamées, l’humanité compte sur le procédé séculaire Haber-Bosch pour convertir l’azote de l’air et le méthane du gaz naturel en ammoniac, la matière première des engrais. Mais ce processus produit plus de 450 millions de tonnes de dioxyde de carbone (CO2) par an, soit environ 1 % de toutes les émissions humaines, et plus que toute autre réaction chimique industrielle. Un nouveau type de réacteur en céramique pourrait le réduire de moitié. Si elle peut être mise à l’échelle, la nouvelle technique pourrait également faire baisser le prix mondial des engrais en facilitant leur production dans de petites usines chimiques proches de l’endroit où ils sont utilisés.

« Je suis très impressionné « , déclare Karthish Manthiram, ingénieur chimiste au Massachusetts Institute of Technology à Cambridge, qui n’a pas participé aux travaux. Inventé au début des années 1900, le procédé Haber-Bosch utilise trois réacteurs distincts pour produire de l’hydrogène à partir du méthane, puis combine ce méthane avec l’azote pour produire de l’ammoniac. En revanche, la nouvelle approche combine les trois réacteurs en un seul. « Cette rationalisation réduit l’empreinte énergétique et l’empreinte de CO2 « , explique M. Manthiram.

Le premier élément de la méthode standard en trois étapes de fabrication de l’ammoniac est connu sous le nom de reformage du méthane à la vapeur. La vapeur et le méthane s’y mélangent sur un catalyseur solide au nickel à haute pression et à des températures allant jusqu’à 1000°C. Le catalyseur accélère les interactions chimiques qui décomposent la vapeur et le méthane et produisent de l’hydrogène moléculaire (H2) et du monoxyde de carbone (CO). Un deuxième réacteur convertit ensuite le CO, un poison, et la vapeur en CO2 et H2 plus bénins. Enfin, le troisième réacteur transforme l’hydrogène et l’azote en ammoniac. Mais le H2 créé dans le premier réacteur ralentit le travail du catalyseur au nickel.

Pour que le catalyseur continue de fonctionner à un rythme plus élevé, Vasileios Kyriakou, ingénieur chimiste à l’Institut néerlandais de recherche sur l’énergie fondamentale à Eindhoven, et ses collègues grecs ont cherché un réacteur qui enlève les atomes d’hydrogène dès qu’ils sont débarrassés des molécules de méthane. Ils ont créé un mince tube de céramique à l’intérieur duquel la vapeur et le méthane se mélangent comme d’habitude. Un catalyseur au nickel sur la surface interne du tube produit des ions hydrogène, des électrons et du CO2 chargés positivement. Le CO2 s’échappe du tube sous forme de gaz d’échappement, et une tension électrique appliquée pousse les électrons chargés négativement à travers un fil jusqu’à un second catalyseur qui recouvre la surface extérieure du tube.

Cette accumulation de charges négatives, à son tour, tire les ions hydrogène chargés positivement à travers la paroi de la membrane céramique jusqu’à la surface externe du tube. Ce siphonnage des ions permet au catalyseur à l’intérieur du cylindre de fonctionner plus rapidement. Elle permet également à la réaction de se produire à environ 600°C, une température qui ne produit que du CO2 comme sous-produit au lieu du CO qui doit être traité ultérieurement.

Pendant ce temps, sur la surface extérieure du tube, le deuxième catalyseur – qui contient du vanadium, de l’azote et du fer – cause les ions hydrogène, les électrons et les molécules d’azote transportés séparément pour former de l’ammoniac, le tout à la pression atmosphérique. L’énergie réduite nécessaire à la réaction a permis à l’équipe de créer de l’ammoniac avec seulement la moitié du CO2 du reformage conventionnel du méthane à la vapeur, ont-ils rapporté cette semaine à Joule.

Kyriakou note que le deuxième catalyseur génère également du H2, en plus du NH3 plus précieux. Les chercheurs ont utilisé ce H2 en l’envoyant à une pile à combustible qui combine l’hydrogène et l’oxygène pour produire de l’eau et de l’électricité, dont ils se servaient pour alimenter leur réacteur à ammoniac céramique. À l’heure actuelle, M. Kyriakou affirme que le catalyseur de synthèse de l’ammoniac sur la surface extérieure du tube est encore trop lent pour rendre le procédé concurrentiel par rapport au reformage du méthane à la vapeur. Cependant, dit-il, lui et ses collègues sont déjà à la recherche de catalyseurs améliorés qui les aideront à détrôner l’un des plus importants procédés chimiques jamais inventés.

Ils recevront probablement beaucoup d’aide, dit Manthiram. « C’est une stratégie radicalement différente[pour la fabrication de l’ammoniac] qui inspirera beaucoup d’autres groupes à essayer ça. »

Via ScienceMag

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