GREENH3 – Laboratoire CEISAM // CEISAM Institute

Le projet GREENH3 s’attaque au grand défi de la production (photo)électrochimique d’ammoniac (NH3) à partir de N2 atmosphérique comme alternative au procédé actuel Haber-Bosch qui consomme environ 1% de l’énergie mondiale et contribue pour environ 1,5% aux émissions mondiales de CO2. En effet, la (photo)électrosynthèse ((photo)Power-to-X) est le choix le plus prometteur pour une production verte sur site et décarbonée de NH3. L’ammoniac, qui peut par ailleurs être décomposé pour produire de l’hydrogène décarboné, est un produit chimique d’importance stratégique, sociétale et économique pour diverses applications industrielles telles que les engrais, les centrales électriques et les piles à combustible. Depuis des décennies, les scientifiques rêvent d’utiliser le N2 atmosphérique pour produire du NH3 sans utiliser de H2 ni générer de CO2. Ce scénario attrayant reste, pour l’instant, hors de portée en raison du manque de connaissances fondamentales concernant les paramètres qui dictent l’activité, la sélectivité et la durabilité des catalyseurs. La réduction du diazote (NRR, N2 + 6H+ + 6e- = 2NH3) est un processus électrochimique qui met en jeu le transfert de six électrons et six protons. Cela implique une cascade d’étapes élémentaires nécessitant une réactivité versatile au niveau du site actif métallique M. Ce dernier doit être capable de rompre la triple liaison N-N sans créer une interaction M-N trop forte pour éviter l’empoisonnement du catalyseur, et simultanément éviter la réduction compétitive des protons en H2. Des études préliminaires ont montré que la structure du catalyseur et la nature du milieu électrolytique jouent un rôle essentiel pour obtenir une bonne efficacité faradique. Notre approche repose sur une rupture de paradigme consistant à développer des (photo)électrocatalyseurs moléculaires, hétérogènes et nanostructurés incluant exclusivement des métaux non nobles, dans des électrolytes de type liquide ionique, et pour lesquels nous allons : (i) identifier les phases les plus prometteuses ; (ii) étudier et identifier les mécanismes catalytiques de l’échelle atomique à celle moléculaire puis modéliser avec précision les (photo)électrocatalyseurs préparés en incluant une description explicite du solvant et/ou de l’électrolyte ; (iii) optimiser les catalyseurs et les inclure dans des cellules de (photo)électrolyse aux performances inédites. GREENH3 mettra à jour les mécanismes qui verrouillent aujourd’hui la conversion (photo)électrochimique directe du N2 atmosphérique en ammoniac. En combinant approches expérimentales et théoriques, nous étudierons en détail comment la structure des catalyseurs moléculaires et nanostructurés affectent les réponses (photo)électrocatalytiques et établirons des relations structure-activité. Les électrolytes de type liquide ionique permettront de réaliser la conversion de N2 en NH3 avec un haut rendement en surmontant les barrières actuelles liées à une cinétique trop lente et à la réaction compétitive de réduction des protons. GREENH3 est un projet multidisciplinaire et collaboratif, basé sur une collaboration étroite entre l’expérience et la théorie, impliquant des chercheurs de huit instituts de recherche publics ayant des expertises complémentaires et synergiques en chimie moléculaire, électrocatalyse, photocatalyse, science des matériaux, semi-conducteurs, ingénierie chimique, (électro)chimie théorique et chimie analytique. Le projet apportera des éléments décisifs de compréhension fondamentale à la communauté scientifique impliquée dans les technologies d’électrosynthèse verte. Il aura un impact social et économique important car l’ammoniac est un vecteur énergétique clef pour stocker et transporter l’hydrogène, et un carburant idéal pour la production décarbonée d’énergie, tout en restant une matière première actuellement indispensable pour nourrir la planète (industries des engrais azotés).

GREENH3 - Conversion (photo)électrochimique directe de N2 atmosphérique en ammoniac

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