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 pour l’électrosynthèse de cette molécule à partir d’ions nitrate, c’est ce que viennent de réaliser les scientifiques de l'Institut Européen des membranes (CNRS / ENSC Montpellier / Université de Montpellier). Pour cela, ils ont conçu un catalyseur qui s’inspire de la structure des sites actifs des enzymes naturelles responsables de la fixation de l'azote et qui permet d’atteindre une sélectivité proche de 100 % pour la formation de NH3.
La réduction électrochimique directe du diazote N2, composant majoritaire de l’atmosphère, pour la production d'ammoniac dans des conditions douces, est limitée par plusieurs facteurs dont l’inertie 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 et donc largement présent dans l'environnement, l’ion nitrate NO3- est reconnu pour être responsable de malformations congénitales, de cancers de la thyroïde et de la vessie…
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, a conçu un catalyseur qui s’inspire de la structure des sites actifs des enzymes naturelles responsables de la fixation de l'azote.
Constitué d’atomes de fer 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. Les scientifiques sont ensuite parvenus à les insérer dans un dispositif d’électrolyse 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 renouvelable.
Ces travaux, menés dans le cadre du Conseil européen de la recherche (ERC), dans le cadre du programme de recherche et d'innovation Horizon 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 d’hydrogène décarboné.
Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash
