[Flash Info Chimie] #9 Du nouveau dans la synthèse de l’ammoniac

Vous le savez sans doute (ou pas), un des principaux produits de l’industrie chimique est l’ammoniac , avec une production annuelle de 100 millions de tonnes ! La plus grande partie de ce composé sert à la production d’engrais à destination de l’agriculture conventionnelle. Son utilisation ultra massive, à laquelle on adhère ou pas (personnellement j’adhère pas) fait de sa synthèse un enjeu chimique, financier et stratégique énorme.

Pour sa synthèse, il y a une bonne nouvelle, et une mauvaise :

• La bonne, c’est que le produit de départ, c’est le diazote qui constitue près de 80 % de notre air. Quasi-gratuit, non toxique, et abondant à souhait.
• La mauvaise, c’est que les techniques pour le produire ne sont pas efficaces, ou très énergivores. Et c’est là-dessus que porte l’article dont il est question dans ce numéro.

Grosso modo, il y a aujourd’hui 2 techniques :

• La biosynthèse : réalisée par quelques plantes (dont principalement les légumineuses), elle est très peu efficace au regard des quantités aujourd’hui réclamée par l’agro-industrie
• Le procédé Haber-Bosh, qui permet de former de l’ammoniac par réduction du diazote par du dihydrogène. C’est ce procédé qui est utilisé pour cette synthèse depuis un siècle.

Et le problème du procédé Haber-Bosh, c’est qu’il est très gourmand en énergie : la production annuelle d’ammoniac consomme 1 % de l’énergie totale produite par l’homme par an. Sans compter la production du dihydrogène (qui est produite in situ à partir de gaz naturel) (source : IFA). D’après la notice Wikipédia, on arriverait à un total de 3 à 5 % de la production mondiale de gaz naturel utilisé pour la fabrication de ce produit. (N.B. : c’est pas tout à fait cohérent avec les chiffres de l’IFA. A vérifier, la source citée par Wikipédia n’étant plus disponible)

En fait, le problème réside dans la triple liaison, très forte, entre les deux atomes d’azote, qui rend très (très très) stable cette molécule de diazote. Du coup, pour rendre possible sa coupure, il faut à la fois un catalyseur efficace, et beaucoup de chaleur. Aujourd’hui, c’est un catalyseur au fer qui est utilisé, mais qui ne fonctionne qu’au delà de 400 °C. Les chimistes préféreraient évidemment trouver un catalyseur qui permette de limiter cette température.

Cet article paru dans Science propose un composé organométallique de titane (pas encore, hélas, un catalyseur) qui permet d’effectuer deux des étapes fondamentales pour la synthèse de l’ammoniac, à des températures et des temps de réaction plus que raisonnable. La triple liaison Azote-Azote est ainsi rompue, et chaque atome d’azote se retrouve au coeur d’un complexe trinucléaire. Et de plus, une liaison hydrogène-Azote s’est formée.

Les Cp’ sont d’autres groupement, inutiles de les détailler ici. On voit les 3 noyaux de Titane, les 2 azotes liés à des hydrogèns, ainsi que les autres H qui participent à la cohésion du complexe.

C’est déjà une avancée assez spectaculaire, puisque à ces températures là, aucun catalyseurs n’avaient pu permettre la réalisation de ces deux étapes. Reste encore le problème de la formation de à partir de ce composé. Et là, on y est pas. Non seulement il faut que deux hydrogènes supplémentaires se lient aux azotes, mais en plus il faut que le catalyseur (par exemple du type du complexe 1) soit régénéré, et qu’on puisse l’introduire ainsi en très faible quantité. Et ça, on en est a priori loin.

« Dinitrogen Cleavage and Hydrogenation by a Trinuclear Titanium Polyhydride Complex » T. Shima et al., Science 2013, 340, 1549-1552