Béatrice Garnier
L’agriculture s’appuie sur des engrais azotés synthétiques, fabriqués à l’aide de processus à forte intensité énergétique et carbonée et qui génèrent des ruissellements contenant des nitrates. Les chercheurs recherchent depuis longtemps des remedies pour réduire les émissions de l’industrie qui représente 3 % de la consommation d’énergie chaque année.
Une collaboration entre deux laboratoires de l’Université Northwestern, en partenariat avec l’Université de Toronto, a découvert que la generation d’urée fertilisante par synthèse électrifiée pourrait à la fois dénitrifier les eaux usées tout en permettant une production d’urée à faible intensité carbone. Le processus, qui comprend la conversion du dioxyde de carbone et de l’azote résiduaire à l’aide d’un catalyseur hybride composé de zinc et de cuivre, pourrait profiter aux installations de traitement de l’eau en réduisant leur empreinte carbone et en fournissant une source de revenus potentielle.
Les résultats ont été publiés aujourd’hui (11 septembre) dans la revue Mother nature Catalysis.
“On estime que les engrais azotés synthétiques font vivre la moitié de la population mondiale”, a déclaré le professeur Ted Sargent de Northwestern, auteur correspondant de l’article. “L’une des principales priorités des efforts de décarbonation est d’augmenter la qualité de vie sur Terre, tout en réduisant simultanément l’intensité nette de CO2 de la société. Trouver remark utiliser l’électricité renouvelable pour alimenter les processus chimiques est une grande opportunité à cet égard.”
Sargent est co-directeur exécutif de l’Institut Paula M. Trienens pour le développement long lasting et l’énergie (anciennement ISEN) et chercheur multidisciplinaire en chimie des matériaux et en systèmes énergétiques, avec des nominations au département de chimie du Weinberg University of Arts and Sciences et du département de génie électrique et informatique de la McCormick Faculty of Engineering.
Dans le domaine de Sargent, de nombreux chercheurs ont développé des voies solutions pour produire de l’ammoniac, un précurseur de nombreux engrais, mais peu se sont penchés sur l’urée, qui est un engrais livrable et prêt à l’emploi. Cela représente une industrie de 100 milliards de bucks. L’équipe a déclaré que la recherche découlait de la issue suivante : “Pouvons-nous utiliser des sources d’azote résiduaires, du CO2 capturé et de l’électricité pour créer de l’urée ?”
Regarder en arrière pour avancer
Yuting Luo, le leading auteur de l’article, chercheur postdoctoral au sein du groupe Sargent et chercheur postdoctoral à Banting, a déclaré qu’une analyse approfondie des références historiques avait permis d’identifier ce qui allait devenir leur catalyseur hybride « magique ». En règle générale, les chimistes utilisent des alliages ou des matériaux in addition complexes pour déclencher des réactions, en les limitant pour privilégier une seule étape de réaction à la fois. “Il est assez scarce de réunir deux catalyseurs qui coopèrent en mode relais”, a déclaré Luo. “Le catalyseur est la vraie magie ici.”
L’équipe a vu des références remontant aux années 1970 qui impliquaient que les métaux purs – comme le zinc et le cuivre – pouvaient être utiles dans les processus impliquant la conversion du dioxyde de carbone et de l’azote.
Ces expériences préliminaires, que le laboratoire Sargent a ensuite reproduites, ont converti relativement peu des ingrédients initiaux en produit souhaité (l’équipe a trouvé une efficacité de conversion d’environ 20 à 30 % en urée).
Les sources d’énergie renouvelables font pencher la equilibrium
Créer du changement au sein des industries nécessite des analyses coûts-avantages minutieuses qui prouvent définitivement qu’une nouvelle voie de manufacturing sera finalement rentable en termes d’économies d’énergie et de coûts. C’est là qu’interviennent les recherches de la professeure de génie chimique Jennifer Dunn. Chayse Lavallais, titulaire d’un doctorat de quatrième année. étudiant du laboratoire Dunn, a aidé l’équipe à effectuer une analyse approfondie du cycle de vie, en incluant soigneusement chaque entrée et sortie d’énergie dans une variété de scénarios.
“En utilisant un réseau américain moyen, les émissions d’énergie sont à peu près les mêmes”, a déclaré Lavallais. “Mais lorsque vous optez pour des resources renouvelables, plusieurs facteurs réduisent les émissions d’énergie, notamment la séquestration du CO2 et les crédits de carbone stockés dans les polymères d’utilisation finale. Dans une set up de traitement de l’eau, si cela ajoute des émissions ou de l’énergie, ils ne sont pas encouragés à utiliser la technologie. Nous avons constaté que cela n’avait pas d’impact significatif sur les coûts opérationnels quotidiens et qu’il existe un potentiel de vente du produit.
Ils ont constaté que l’efficacité de la conversion devrait atteindre 70 % pour être pratique.
Perfectionner le ratio « catalyseur magique »
Les chercheurs ont finalement atteint leur objectif en commençant par une very simple erreur. Leur hypothèse était solide : une couche de zinc sur du cuivre entraînerait de meilleures performances. Mais au début, ils n’ont pas trouvé cela du tout parce qu’ils appliquaient une couche de zinc trop épaisse et utilisaient un rapport zinc/cuivre de un pour un, ce qui faisait que le matériau se comportait comme s’il interagissait uniquement avec le zinc. À un second donné, quelqu’un a ajouté moins de liant que d’habitude au mélange et une partie du zinc a été emportée par les eaux, et l’expérience a très bien fonctionné. L’équipe a ensuite ajusté les métaux en conséquence et déterminé qu’un rapport d’une section de zinc pour 20 areas de cuivre permettait d’obtenir des performances optimales.
Le groupe Sargent a également appliqué une optique informatique pour découvrir pourquoi le cuivre et le zinc fonctionnaient si bien ensemble et pourquoi il semblait nécessaire une synergie entre les deux réactions. Puisqu’il est not possible de capturer visuellement ces réactions – elles se produisent à l’échelle de la nanoseconde – il faut les calculer et déterminer comment les électrons se déplacent au cours d’une réaction.
Ce processus comportait deux sections distinctes. Premièrement, le carbone doit interagir avec le zinc, car or truck une réaction avec le cuivre produit une réaction faible. Dans la deuxième étape, c’est l’inverse : l’azote et le cuivre créent une réaction efficace, tandis que le zinc fait très peu.
Il y a du chemin à parcourir avant que le procédé puisse être commercialisé, ont déclaré les chercheurs. Principalement, la réaction telle qu’elle se présente ne tient pas compte des impuretés trouvées dans un contexte de traitement de l’eau. Ils espèrent également augmenter la durée de fonctionnement de leur processus.
L’article intitulé « Synthèse électrochimique sélective de l’urée à partir de nitrate et de CO2 by using une catalyse relais sur des catalyseurs hybrides » a été financé par le programme de bourses postdoctorales Banting (numéro de subvention 01353-000).
