Une étude sur la diffusion des neutrons ouvre la voie à l’électrochimie pour l’ammoniac neutre en carbone

Des scientifiques de l'Université de Stanford et du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie transforment l'air en engrais sans laisser d'empreinte carbone. Leur découverte pourrait apporter une solution indispensable pour aider à atteindre les objectifs mondiaux de neutralité carbone d’ici 2050.

Publié dans la revue Sciences de l'énergie et de l'environnementl’étude décrit un processus électrochimique – plutôt que chimique – durable pour produire de l’ammoniac, un ingrédient clé des engrais azotés.

Essentiellement, les chercheurs ont utilisé la diffusion de neutrons pour comprendre comment le cycle d’un courant électrique lors de la conversion de l’azote en ammoniac, également connue sous le nom de réaction de réduction de l’azote, augmente la quantité d’ammoniac produite. Ce procédé pourrait potentiellement permettre aux agriculteurs de convertir l'azote, l'élément le plus abondant dans notre atmosphère, en engrais à base d'ammoniac sans émettre de dioxyde de carbone.

“L'ammoniac est essentiel à l'approvisionnement alimentaire de la majeure partie de la population mondiale”, a déclaré Sarah Blair, ancienne doctorante au Center for Interface Science and Catalysis de Stanford, qui travaille désormais au National Renewable Energy Laboratory du Colorado en tant que chercheuse postdoctorale. “Alors que la population mondiale continue de croître, nous avons besoin de moyens durables pour produire des engrais, en particulier à mesure que le réchauffement s'intensifie.”

Les engrais industriels permettent aux agriculteurs de cultiver davantage de nourriture sur moins de terres. Pourtant, la principale méthode de création d'ammoniac industriel depuis plus d'un siècle, le procédé Haber-Bosch, représente près de 2 % de toutes les émissions de dioxyde de carbone en raison des combustibles fossiles qu'il nécessite.

Deux pour cent ne semblent peut-être pas beaucoup, mais nous ajoutons du dioxyde de carbone à l’atmosphère plus rapidement que la planète ne peut l’absorber, et tous les efforts comptent pour réduire ce chiffre. Le procédé Haber-Bosch produit environ 500 millions de tonnes de dioxyde de carbone chaque année, ce qui nécessiterait l'équivalent de presque toutes les terres fédérales des États-Unis pour être absorbé et stocké.

Les résultats de l’étude pourraient également aider les scientifiques à comprendre d’autres processus permettant de produire de l’ammoniac neutre en carbone pour d’autres applications. Celles-ci pourraient inclure le recyclage ou la récupération des engrais de ruissellement avant qu’ils ne pénètrent dans les cours d’eau et la production d’ammoniac dans les ports maritimes pour ravitailler les navires. Le transport maritime mondial produit 3 % supplémentaires des émissions mondiales de dioxyde de carbone, et la combustion de combustibles fossiles représente la plus grande source de dioxyde de carbone provenant de l'activité humaine.

“Vous ne pouvez pas améliorer la conception de quelque chose si vous ne savez pas comment cela fonctionne déjà”, a déclaré Blair. “Les neutrons aident la science à évoluer en éclairant au niveau atomique certains systèmes impossibles à étudier autrement.”

Blair a utilisé une boîte à gants dans les expériences, ce qui a nécessité une collaboration étroite et une conception minutieuse de la part de Doucet afin que le projet puisse tirer le meilleur parti du temps de faisceau limité. Crédit : Geneviève Martin/ORNL, Département américain de l'énergie

Blair et Mat Doucet, scientifique principal en diffusion de neutrons à l'ORNL, ont mené leurs expériences sur les neutrons sur l'instrument réflectomètre pour liquides de la source de neutrons de spallation. Leur objectif était de comprendre l’effet du cycle d’un courant électrique sur la formation de l’interface solide-électrolyte, ou SEI, dans un système de réaction de réduction de l’azote qui produit de l’ammoniac en utilisant le lithium comme médiateur.

Comprendre la formation du SEI est la clé non seulement pour débloquer la science derrière la production électrochimique d’ammoniac, mais aussi pour produire de meilleures batteries. L'étude marque également la première utilisation de techniques basées sur les neutrons pour observer la formation d'une couche SEI au cours de cette conversion électrochimique particulière.

En outre, une nouvelle technique neutronique singulière, la réflectométrie résolue en temps, a émergé de l’étude. Cette technique permet aux scientifiques de découper les données neutroniques par incréments de quelques secondes, capturant ainsi plus de détails, un peu comme si on regardait un film image par image. Au départ, Blair et Doucet pensaient que les changements électrochimiques qu’ils observaient se produisaient progressivement. Cependant, grâce à la nouvelle technique, ils ont découvert que les changements se produisaient dans des intervalles de temps beaucoup plus courts.

“Les processus qui semblent linéaires pourraient ne pas l'être du tout lorsqu'on les regarde de plus près”, a déclaré Doucet. ” Arriver à cette structure en fonction du temps est la partie la plus difficile. La technique que nous avons développée pour cette expérience nous a permis de faire exactement cela. ”

Les découvertes de SNS jettent les bases des connaissances nécessaires aux innovations technologiques qui améliorent la vie quotidienne des gens. La technique développée par Blair et Doucet ouvre de nouvelles possibilités en électrochimie pour les utilisateurs de SNS.

Hanyu Wang, scientifique de l'instrument ORNL qui travaille également en étroite collaboration avec les utilisateurs de SNS, a déclaré : « Ces expériences dépendant du temps attireront des scientifiques qui étudient les chimies de séparation. »

Jim Browning, chef du groupe de réflectométrie neutronique de l'ORNL, a ajouté : « Leur approche peut répondre à de nombreuses questions concernant les produits chimiques de séparation, les batteries et toute une gamme de différents domaines d'intérêt, comme la production d'énergie, le stockage d'énergie et la conservation de l'énergie.