L'ammoniac (NH3) joue un rôle crucial dans l'agriculture moderne, principalement produit par le processus Haber-Bosch. Depuis plus d'un siècle, cette méthode repose sur le catalyseur à base de fer connu sous le nom de 'Promoted-Fe', qui reste inégalé en efficacité. Cependant, une équipe de recherche de l'Institut des Sciences de Tokyo a réalisé une avancée révolutionnaire dans la conception des catalyseurs qui pourrait transformer la production d'ammoniac.
Publiée le 23 janvier 2025 dans le journal Advanced Science, l'étude dirigée par le professeur Michikazu Hara présente une nouvelle structure de catalyseur qui améliore considérablement les taux de production de NH3. Les catalyseurs traditionnels se composent généralement de particules de métaux de transition sur un support de faible densité, ce qui, tout en augmentant la surface active, limite l'efficacité en volume du catalyseur.
L'approche innovante de l'équipe de Tokyo consistait à créer des catalyseurs avec une structure inverse, comportant des particules de fer plus grandes renforcées par de l'hydrure d'aluminium (AlH) et du potassium (K+). Ce design permet d'atteindre des taux de production d'ammoniac par volume de catalyseur environ trois fois supérieurs à ceux de Promoted-Fe. De manière remarquable, ce nouveau catalyseur fonctionne efficacement même à des températures inférieures à 200 °C, une plage où les méthodes traditionnelles échouent.
Hara souligne : "Le nouveau catalyseur non seulement surpasse Promoted-Fe en performance, mais il maintient également sa stabilité, produisant de l'ammoniac sans perte d'activité pendant plus de 2 000 heures." La recherche indique que la structure inverse favorise le don d'électrons et augmente les sites actifs, facilitant ainsi une clivage plus efficace de l'azote, l'étape limitante dans la synthèse de l'ammoniac.
Cette avancée a des implications significatives pour la production industrielle d'ammoniac, notamment dans le contexte de l'atténuation du changement climatique. La facilité de fabrication de ces catalyseurs à partir de matériaux abondants pourrait conduire à des pratiques agricoles plus durables et à un impact environnemental réduit.
L'Institut des Sciences de Tokyo, formé par la fusion de l'Université Médicale et Dentaire de Tokyo et de l'Institut de Technologie de Tokyo, vise à faire progresser la science au profit de la société, faisant de cette découverte une étape essentielle vers l'amélioration de la sécurité alimentaire et de la durabilité mondiale.