Procédé Haber-Bosch et systèmes catalytiques usuels et émergents
Production d’ammoniac en conditions modérées - Développement de nouveaux systèmes catalytiques

En 1913, la compagnie BASF développait la synthèse industrielle de l’ammoniac sur la base de la découverte du chimiste allemand Fritz Haber qui, cinq ans auparavant, réussissait à démontrer la possibilité de fixer l’azote de l’air grâce à l’apport de la catalyse hétérogène : c’est l’invention du procédé Haber-Bosch. La production, à partir du diazote atmosphérique, d’ammoniac (NH₃), une molécule contenant un atome d’azote pour trois atomes d’hydrogène, est depuis considérée comme le procédé industriel ayant eu le plus d’impact sur la société avec des applications dans les domaines militaire (explosifs), économique (industries chimique et textile) et agricole (fertilisants). En particulier, il est admis que 40 à 50 % de la population mondiale ne pourrait se nourrir sans l’apport d’engrais azotés issus de la synthèse d’ammoniac. Le procédé Haber-Bosch a ainsi eu pour conséquence depuis son développement la sauvegarde de milliards de vies humaines. Paradoxalement, il a eu aussi des effets néfastes non négligeables sur la biodiversité et le climat puisque ce procédé très énergivore a été conçu et optimisé grâce aux ressources fossiles. Car, si le diazote de la réaction (N₂ + 3H₂ → NH₃) provient de l’atmosphère, le dihydrogène est quant à lui généré à partir de charbon, de pétrole ou plus généralement aujourd’hui de gaz naturel, avec comme coproduit le dioxyde de carbone (CO₂), connu pour ses propriétés de gaz à effet de serre. Les besoins du procédé en chaleur et en électricité sont également très élevés pour atteindre une température supérieure à 500 °C et une pression supérieure à 200 bar dans la plupart des unités pour obtenir un rendement en ammoniac suffisant et rendre la production économiquement viable. La quantité de CO₂ émise par tonne d’ammoniac produite est ainsi estimée actuellement à 2,4 tonnes. Il est pourtant prévu dans certains scenarii de transition énergétique que la production d’ammoniac pourrait tripler d’ici 2050 pour des besoins additionnels en particulier comme carburant pour décarboner le secteur maritime. Cette croissance ne peut logiquement se faire que sur la base d’une production elle aussi décarbonée d’ammoniac, ce qui change en profondeur le procédé tel que conçu il y a plus d’un siècle. L’un des enjeux consiste à découvrir des nouvelles formulations catalytiques permettant de synthétiser l’ammoniac dans des conditions de températures et de pressions plus douces. Cet article propose un état de l’art des travaux de recherche récents qui ont conduit à ouvrir la voie vers le design de nouveaux catalyseurs prometteurs à l’échelle du laboratoire.