La photosynthèse artificielle s’attaque à l’azote

Difficile d’imaginer l’agriculture moderne sans le procédé Haber-Bosch. Il permet d’utiliser l’azote de l’air pour fabriquer de l’ammoniac, matière première des engrais azotés, dont plus de 170 millions de tonnes sont produites chaque année. Mais cette révolution a son revers : Haber-Bosch fonctionne à haute température et sous pression et utilise de l’hydrogène provenant principalement du gaz naturel ou du charbon. Malgré un siècle d’optimisation, la fabrication de l’ammoniac reste ainsi une activité industrielle fortement émettrice de CO₂.

Et si la lumière pouvait fournir l’énergie nécessaire à cette réaction ? C’est le pari des chercheurs bordelais, de l’Institut des sciences moléculaires (CNRS/Univ. Bordeaux/Bordeaux INP) et du Laboratoire de chimie des polymères organiques (CNRS/Univ. Bordeaux/Bordeaux INP/ENSMAC) qui se sont inspirés de la photosynthèse. C’est par ce procédé que les plantes transforment le dioxyde de carbone en hydrocarbures (glucides) essentiels grâce à la lumière du soleil et en présence d’eau. La lumière permet notamment de puiser dans l’eau des électrons qui, en présence de catalyseurs, alimentent les réactions chimiques de réduction du CO₂ en hydrocarbures. 

Ici, des sels de fer éclairés par des ultraviolets jouent ce rôle : ils libèrent dans l’eau des électrons très réactifs. Un catalyseur à base de molybdène les utilise ensuite pour transformer l’azote N₂ en ammoniac NH₃. La prouesse tient surtout au fonctionnement d’ensemble. Sous l’effet de la lumière, le fer est continuellement recyclé tandis que l’eau fournit les électrons et les protons nécessaires à la réaction et libère de l’oxygène. Autrement dit, l’énergie lumineuse est convertie et stockée sous forme d’énergie chimique, ce qui permet aux auteurs de parler véritablement de photosynthèse artificielle. À l’échelle du laboratoire, cette conversion atteint une efficacité énergétique de 7,6 %, ce qui se rapproche du rendement théorique de la photosynthèse naturelle. 

Les chercheurs ont aussi testé leur réaction dans de l’eau de mer. Ce point est loin d’être anecdotique puisque produire de l’ammoniac à l’échelle des besoins mondiaux avec de l’eau douce ne serait pas soutenable. Le système fonctionne également avec l’azote directement présent dans l’air, sans avoir à en retirer l’oxygène, même si associer simultanément air ambiant et eau de mer réduit son efficacité. 

Cette photosynthèse artificielle n’est bien sûr pas encore prête à détrôner Haber-Bosch : elle reste une démonstration de laboratoire alimentée par des ultraviolets. Mais elle établit qu’il est possible de fabriquer de l’ammoniac en couplant lumière, eau et azote, sans recourir aux réducteurs chimiques et hautes températures utilisés par d’autres approches. Cette première étape vers des procédés de production d’ammoniac potentiellement décarbonés et décentralisés, qui a fait l’objet d’un dépôt de brevet, est parue dans la revue Nature Chemistry. Les scientifiques poursuivent la concrétisation de cette stratégie ainsi qui sa potentielle étendue à la réduction du CO₂.

Rédacteur : AVR