Mécano-activation de l'azote moléculaire pour la synthèse d'ammoniac – MECAMMONIA

Depuis plus de 100 ans, la thermocatalyse Haber-Bosch (HB) est la technologie dominante pour la production industrielle d'ammoniac. La synthèse HB nécessite l'utilisation de combustibles fossiles puisque l'H2 nécessaire est obtenu à partir de combustibles fossiles, ce qui entraîne 1 à 2 % des émissions mondiales de CO2 chaque année. MECAMMONIA propose ici de s'orienter vers une production de NH3 sans carbone, moins consommatrice en énergie et utilisant des sources vertes pour l’hydrogène, dérivées de l'électrolyse de l'eau. Récemment, la synthèse mécanochimique a été identifiée comme une autre voie possible pour produire du NH3 en continu. La méthode la plus couramment utilisée pour activer mécaniquement la transformations chimique est basée sur le broyage à boulets de poudres. Lors de la compression des particules de catalyseurs pendant les collisions successives, les particules de catalyseur commencent à se déformer et donnent lieu à un comportement plastique ou à une fracture en fonction de la réponse du matériau à la déformation. Des travaux expérimentaux/théoriques pertinents ont clairement montré que la formation de surfaces fraîchement exposées améliore la réactivité chimique et participe à la transformation mécanochimique. Actuellement, le positionnement de la mécanosynthèse de NH3 par rapport aux processus alternatifs (procédé HB en conditions modérées, chemical looping, catalyse plasma, électrocatalyse, photocatalyse, catalyse biomimétique) est soutenu par des avantages évidents, notamment (i) la faible consommation d'énergie par rapport à la catalyse HB et la catalyse assistée par plasma, (ii ) la basse température de travail puisque la reaction de surface est activée par impact acquise lors du broyage et (iii) la faisabilité de développement de la synthèse mécanocatalytique à grande échelle. Ici, des catalyseurs à base de nitrure et de terre rares reconnus dans la litérature pour leur capacité à améliorer le taux d'activation de l'azote par rapport aux métaux ou aux phases oxydes fonctionnant dans des conditions conventionnelles de type HB modéré. Ainsi, la technologie Ball-Milling appliquée à la production d’ammoniac apparaît comme un domaine de recherche passionnant avec un fort potentiel d’amélioration du rendement et de nombreuses questions ouvertes sur le mécanisme réactionnel ainsi que sur la structure et l’évolution du catalyseur dans des conditions mécanochimiques. MECAMMONIA comprend les tâches suivantes : (i) Conception et ingénierie de systèmes de broyage à boulets avec optimisation des conditions de broyage pour la mécanosynthèse de l'ammoniac; (ii) Développement expérimental de catalyseurs hétérogènes (matériaux nitrures ternaires à base de terres rares), y compris l'optimisation par modification de la composition et dopage par les alcalins et les métaux de transition; (iii) Synthèse mécanocatalytique en configurations batch et continue et (iv) Etude du mécanisme mécanocatalytique à partir de la collecte de mesures cinétiques, d'expériences en transitoire et d'investigations spectroscopiques. MECAMMONIA générera de nouvelles connaissances allant de la synthèse des matériaux à l'ingénierie des procédés, en passant par la compréhension des mécanismes catalytiques.