Une voie plus propre vers l'ammoniac

James Mitchell Crow est un écrivain indépendant basé à Melbourne, en Australie.

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Douglas Macfarlane, directeur scientifique de Jupiter Ionics, espère produire un engrais vert.Crédit : Steve Morton/Jupiter Ionics

Jupiter Ionics à Melbourne, Australie, s'est séparé de l'Université Monash, Melbourne, en 2021.

C'est une curieuse bizarrerie de la chimie que lorsque les atomes de lithium travaillent ensemble, ils peuvent rompre l'une des liaisons chimiques les plus fortes connues. Le lithium peut prendre la molécule d'azote à triple liaison (N2) et, dans des conditions ambiantes, la casser en deux.

Jupiter Ionics à Melbourne, Australie – finaliste du prix Spinoff 2023 – vise à exploiter cette chimie pour fabriquer de l'ammoniac (NH3).

L'ammoniac est crucial pour produire des engrais synthétiques, dont le monde dépend pour faire pousser des cultures. Depuis le début des années 1900, l'ammoniac est fabriqué par le procédé industriel Haber-Bosch. La production mondiale d'ammoniac atteint désormais 150 millions de tonnes par an.

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"Haber-Bosch est aujourd'hui un élément central de la chimie dans le monde, mais il dépend des combustibles fossiles", déclare Douglas Macfarlane, chercheur en électrochimie à l'Université Monash de Melbourne, et fondateur et directeur scientifique de Jupiter Ionics. Le processus fonctionne à haute pression et température, et dans de grandes usines centralisées, fonctionnant en continu, difficiles à marier avec la nature relativement petite et intermittente des énergies renouvelables, explique Macfarlane. Haber-Bosch est responsable d'environ 1,5 % des émissions mondiales de carbone, et sa contribution continue de croître.

Le laboratoire Monash de Macfarlane a été le pionnier d'une voie électrochimique à médiation par le lithium à haute sélectivité vers l'ammoniac. Le procédé utilise de l'air, de l'eau et de l'électricité renouvelable. En 2021, Macfarlane a fondé Jupiter Ionics pour développer et commercialiser le processus. Produire des engrais verts est l'objectif initial, mais générer de l'ammoniac comme carburant sans carbone est également une perspective. La technologie de Jupiter se rapproche de l'objectif du département américain de l'énergie d'atteindre une production d'ammoniac sans carbone à un rythme commercialement compétitif par rapport à Haber-Bosch.

L'idée de séparer les molécules d'azote pour fabriquer de l'ammoniac en utilisant un courant électrique, plutôt que des températures et des pressions élevées, remonte à un siècle1. Les électrodes d'une cellule électrochimique peuvent séparer le N2 dans un processus catalytique, puis combiner les atomes avec des protons (H+) provenant de l'eau pour former de l'ammoniac.

C'est du moins la théorie, déclare le directeur général de Jupiter Ionics, Charles Day. "Les gens ont fabriqué de petites quantités d'ammoniac, mais pour être pertinent sur le plan commercial, vous devez être capable de le produire à un rythme important", explique Day, un ingénieur chimiste devenu responsable de la commercialisation de la technologie. Day a d'abord été engagé par Monash pour rédiger le plan d'affaires de l'entreprise, avant de devenir le premier directeur général.

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Le défi consiste à supprimer une réaction secondaire dans laquelle la cellule emprunte la voie la plus simple consistant à combiner des paires de protons pour produire de l'hydrogène gazeux (H2), au lieu de l'ammoniac. L'hydrogène est généralement le produit prédominant dans le processus électrochimique. Le problème, connu sous le nom de défi de sélectivité, est décrit par une métrique appelée efficacité faradique (FE) : la quantité d'ammoniac produite par rapport à l'ammoniac qui pourrait être générée en fonction de l'apport électrique. Jusqu'à il y a quelques années, une sélectivité en ammoniac de seulement 5 à 20% FE avait été signalée.

En 2019, après avoir évalué plusieurs systèmes électrocatalyseurs candidats et fabriqué peu ou pas d'ammoniac, l'équipe Monash de Macfarlane a essayé le lithium. "Il était devenu assez bien connu dans le monde des batteries au lithium que le lithium réagit avec l'azote", se souvient Macfarlane. "C'est l'étape alléchante, que vous pouvez ouvrir la molécule d'azote avec du lithium."

La chimie clé du processus à médiation par le lithium se produit à la cathode de la cellule électrochimique. Ici, le lithium et l'azote réagissent pour former du nitrure de lithium (Li3N). Cet intermédiaire réagit avec les protons (générés à l'anode) pour libérer de l'ammoniac et régénérer le lithium (voir 'La cellule électrochimique à ammoniac').

Crédit : Alisdair MacDonald

En 2021, Macfarlane et ses collègues ont rapporté2 qu'en ajoutant une navette de protons à base de phosphore pour assurer la livraison de protons à la cathode, ils avaient atteint 69 % de FE. Un an plus tard, ils ont rapporté3 qu'en passant à un électrolyte qui supportait mieux l'étape de séparation de l'azote par le lithium, ils avaient atteint près de 100 % de FE. "Pour être commercialement pertinente, la sélectivité doit être essentiellement à 100 %, ce que notre article le plus récent a finalement rapporté", déclare Macfarlane.

Ces niveaux de production d'ammoniac constituent un pas en avant significatif et placent l'équipe à l'avant-garde du domaine, déclare Karthish Manthiram, un électrochimiste travaillant sur la production d'ammoniac au California Institute of Technology de Pasadena, qui n'est pas affilié à l'entreprise. "Je pensais qu'il faudrait encore quelques années à la communauté pour obtenir les résultats qu'elle a annoncés", déclare Manthiram. Les résultats de Jupiter Ionics, ajoute-t-il, suggèrent que c'est le bon moment pour commercialiser la recherche et la poursuivre dans un environnement "plus agile, axé sur les résultats".

Selon Manthiram, la mise à l'échelle de la technologie, tout en démontrant sa stabilité et sa longévité, sera un défi majeur. "C'est une entreprise à haut risque", dit-il. "C'est une question de savoir quand, pas si, la production électrochimique d'ammoniac fonctionnera - mais le moment est toujours la partie la plus difficile à prévoir."

Jupiter Ionics a été lancé en avril 2021, levant 2,5 millions de dollars australiens (1,7 million de dollars américains) en financement de démarrage. En mars 2022, la société a obtenu 2,65 millions de dollars australiens supplémentaires du gouvernement australien pour diriger un consortium d'entreprises afin de développer sa technologie de fabrication d'ammoniac vert. Grâce à ce financement collectif, l'entreprise est devenue une équipe d'une douzaine de personnes, explique Day.

Préparer le processus pour le monde réel signifie passer d'une opération en petits lots à un réacteur évolutif qui produit de l'ammoniac en flux continu. "Séparément, le côté anode et le côté cathode du processus d'écoulement fonctionnent désormais bien", déclare Irina Simonova, chercheuse en électrochimie dans l'entreprise. "Nous nous concentrons maintenant sur la bonne collaboration des deux parties", dit-elle. Les deux électrodes doivent transporter le même courant - ce sont deux parties du même circuit électrique - mais pour le moment, chaque électrode a son propre courant optimal par unité de surface (la densité de courant). L'équipe s'efforce d'ajuster la surface et l'épaisseur de chaque électrode pour obtenir le point idéal de densité de courant.

La société prévoit de revenir sur le marché plus tard cette année pour augmenter les investissements de «série A», a déclaré Day. "Au fur et à mesure que nous nous développons, les réacteurs deviennent plus gros et plus chers. Le prochain cycle d'investissement consiste à commencer à passer à quelque chose qui ressemble plus à un produit que nous pourrions vendre."

Jupiter Ionics dispose d'une technologie solide qui cible un besoin réel, ainsi que d'une équipe et d'un plan d'affaires solides, déclare Bob Gatte, juge du prix Spinoff 2023 et directeur général de HighT-Tech à College Park, Maryland, qui a remporté le prix. en 2021. "Si leur première voie vers la commercialisation ne fonctionne pas, ils ont d'autres options."

L'équipe a identifié plusieurs voies potentielles de génération de revenus. "Nous avons la possibilité de fabriquer nous-mêmes des systèmes entiers ou de concéder sous licence notre technologie à d'autres sociétés", déclare Day. "Nous évaluons toujours lequel de ceux-ci a le plus de sens pour nous."

Un marché émergent pour l'ammoniac vert dans le secteur de l'énergie se profile également à l'horizon. De plus en plus, l'ammoniac généré à partir de sources renouvelables est reconnu comme un vecteur énergétique potentiel - un moyen de convertir l'énergie renouvelable en une forme chimique qui peut être facilement stockée, transportée ou même expédiée.

"Nous nous concentrons d'abord sur les engrais parce qu'ils résolvent le problème d'aujourd'hui, aujourd'hui", déclare Day. "Il existe un marché d'ammoniac de près de 200 millions de tonnes par an qui doit se décarboner le plus rapidement possible. Mais nous voulons certainement jouer un rôle dans le développement de l'ammoniac en tant que vecteur énergétique", a-t-il déclaré.

"L'énergie offre des avantages potentiels en plus de leur objectif principal", déclare Gatte. "Maintenant, ils doivent prouver que la technologie est évolutive."

doi : https://doi.org/10.1038/d41586-023-01659-w

Cet article fait partie de Nature Outlook: The Spinoff Prize 2023, un supplément éditorial indépendant produit avec le soutien financier de tiers. À propos de ce contenu.

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