MIT repère des catalyseurs d’ammoniac plus propres par simulation

Le principal obstacle à une production d’ammoniac plus propre n’est pas l’idée d’une solution de remplacement. Il consiste à trouver un matériau capable d’accélérer suffisamment la réaction chimique. Au MIT, la professeure Bilge Yildiz et les doctorants Constantine Athanitis et Filip Grajkowski ont mis au point une méthode informatique pour réduire ce champ de recherche, en identifiant des alliages catalytiques prometteurs dans des modèles informatiques plutôt qu’en testant des combinaisons au hasard.

Les enjeux sont considérables. La production d’ammoniac consomme environ 2 % de l’énergie mondiale et génère environ 1,5 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, principalement pour fabriquer des engrais. Plus de 90 % de l’ammoniac produit aujourd’hui dépend encore du procédé Haber-Bosch, une méthode tributaire des combustibles fossiles qui est restée largement inchangée depuis plus d’un siècle.

L’alternative étudiée par l’équipe du MIT repose sur l’électrochimie : de l’azote gazeux réagit avec des paires de protons et d’électrons, selon des principes également présents dans les électrolyseurs. Elle n’est pas prête pour une utilisation industrielle. Les taux de production et les rendements restent trop faibles pour justifier un changement de procédé chez les entreprises, ce qui fait d’un meilleur catalyseur la cible principale.

Les chercheurs se sont concentrés sur les nitrures de métaux de transition, dont les propres atomes d’azote participent à la réaction. Cet azote intégré crée une séquence d’étapes chimiques dans laquelle chaque étape fournit une partie de l’énergie nécessaire à la suivante. La méthode met également en évidence les obstacles restants, notamment la dissociation de l’azote et le transfert d’hydrogène, afin que les chercheurs puissent se concentrer sur les propriétés les plus importantes.

Alors, qu’est-ce qui change en pratique ? Le modèle de l’équipe pourrait réduire de plusieurs années la phase initiale de recherche de matériaux candidats en remplaçant les essais et erreurs à grande échelle par une sélection informatique ciblée. Mais le résultat reste un point de départ pour le laboratoire, pas une usine d’ammoniac opérationnelle : les alliages proposés doivent d’abord être synthétisés, puis testés dans une cellule réactionnelle dans des conditions réelles de fonctionnement. Dane Morgan, professeur d’ingénierie à l’université du Wisconsin qui n’a pas participé à l’étude, a déclaré que la transformation des calculs en catalyseurs efficaces nécessiterait encore un travail considérable.