Fixation d'azote

L'azote moléculaire (diazote, N=N) représente environ 78 pour cent de l'atmosphère. C'est l'espèce diatomique la moins réactive connue. Fait intéressant, cependant, l'azote est nécessaire à toute vie; il est utilisé pour construire des protéines et de l'ADN. Par conséquent, le diazote doit être transformé en une molécule facilement assimilable par les plantes. Cette molécule est l'ammoniac, NH3.

Avant la Première Guerre mondiale, le procédé Haber-Bosch catalysé par le fer pour la synthèse d'ammoniac à des températures élevées (350 à 550 °C) et des pressions (150 à 350 atmosphères) à partir de diazote et de dihydrogène (H2) a été découvert. C'est peut-être le processus industriel le plus important jamais développé et responsable d'une augmentation spectaculaire de la population de la terre au cours du 20ème siècle, car il fournit une source fiable d'azote pour les engrais. Mais parce que le procédé Haber-Bosch nécessite des températures et des pressions élevées, il consomme d'énormes quantités d'énergie ; on estime que jusqu'à 1% de la consommation énergétique mondiale totale est consacrée au processus.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2006

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La nature réduit également le diazote en utilisant des métalloenzymes dans les bactéries et les algues bleu-vert, mais à une seule atmosphère de pression et à des températures douces. Les métalloenzymes, appelées nitrogénases, contiennent du fer et généralement du molybdène. Depuis leur découverte il y a plus de 40 ans, les chimistes ont spéculé sur la façon dont la réduction du diazote se produit et si une nitrogénase artificielle pourrait être développée qui conduirait à un processus plus économe en énergie que Haber-Bosch. Peut-être qu'un millier d'années-homme et des milliards de dollars ont été dépensés pour étudier le fonctionnement des nitrogénases et essayer d'en fabriquer des artificielles.

En 2003, mon groupe a montré qu'il était possible de fabriquer de l'ammoniac de manière catalytique à partir de diazote, de protons et d'électrons. Ceci est accompli à un Célibataire centre métallique en molybdène. En présence de protons et d'électrons dans un milieu non aqueux, le diazote est réduit en ammoniac avec une efficacité en électrons d'environ 65 % ; les électrons restants sont utilisés pour fabriquer du dihydrogène, qui est dans ce contexte un produit inutile et indésirable. Notre catalyseur n'est pas génial, mais c'est un début.

La nature a développé une version hautement optimisée du processus de réduction de l'azote sur une période de quelques milliards d'années. La nôtre est une nitrogénase artificielle à peine catalytique. Nous essayons d'identifier le ou les problèmes clés qui l'empêchent de bien fonctionner. Peut-être que nous pourrons alors améliorer son efficacité.

Peut-on concevoir des catalyseurs aussi efficaces que les nitrogénases naturelles ? Peut-être. Le procédé Haber-Bosch sera-t-il un jour remplacé par des catalyseurs qui ne fonctionnent pas à des pressions et températures élevées ? Inconnue. Seuls le temps, l'argent et l'ingéniosité révéleront la réponse.

Richard R. Schrock, professeur de chimie Frederick G. Keyes au MIT, a remporté le prix Nobel de chimie en 2005.

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