La conversion s’est produite à température et pression ambiantes, ce qui pourrait permettre au méthane, un puissant gaz à effet de serre, d’être utilisé pour fabriquer du carburant.
La nouvelle méthode convertit le gaz méthane en méthanol liquide.
Une équipe de chercheurs a réussi à convertir le méthane en méthanol en utilisant des métaux de transition légers et dispersés tels que le cuivre dans un processus connu sous le nom de photo-oxydation. Selon une étude publiée dans le journal Communications chimiques.
Le terme bar en tant qu’unité de pression vient du mot grec signifiant poids (baros). Un bar équivaut à 100 000 Pascals (100 kPa), proche de la pression atmosphérique standard au niveau de la mer (101 325 Pa).
Les conclusions de l’étude constituent une étape cruciale pour rendre le gaz naturel accessible comme source d’énergie pour la production de carburants alternatifs à l’essence et au diesel. Bien que le gaz naturel soit un combustible fossile, sa transformation en méthanol produit moins de dioxyde de carbone (CO2) que les autres combustibles liquides de la même catégorie.
La conversion a eu lieu dans des conditions de température et de pression ambiantes, ce qui pourrait permettre d’utiliser le méthane, un puissant gaz à effet de serre, pour produire du carburant. Crédit : UFSCAR
Le méthanol est vital dans la production de biodiesel et l’industrie chimique au Brésil, où il est utilisé pour synthétiser une variété de produits.
De plus, la collecte de méthane de l’atmosphère est essentielle pour atténuer les conséquences négatives du changement climatique puisque le gaz a 25 fois le potentiel de contribuer au réchauffement climatique que le CO2, par exemple.
« Il y a un grand débat dans la communauté scientifique sur la taille des réserves de méthane de la planète. Selon certaines estimations, ils pourraient avoir le double du potentiel énergétique de tous les autres combustibles fossiles combinés. Dans la transition vers les énergies renouvelables, nous devrons exploiter tout ce méthane à un moment donné », a déclaré Marcos da Silva, premier auteur de l’article, à l’Agência FAPESP. Silva est titulaire d’un doctorat. candidat au Département de Physique de l’Université Fédérale de São Carlos (UFSCar).
L’étude a été soutenue par la FAPESP, le Conseil supérieur de la recherche (CAPES, une agence du ministère de l’Éducation) et le Conseil national de développement scientifique et technologique (CNPq, une branche du ministère de la Science, de la Technologie et de l’Innovation).
Selon Ivo Freitas Teixeira, professeur à l’UFSCar, directeur de thèse de Silva et dernier auteur de l’article, le photocatalyseur utilisé dans l’étude était une innovation clé. « Notre groupe a innové de manière significative en oxydant le méthane en une seule étape », a-t-il déclaré. « Dans l’industrie chimique, cette conversion passe par la production d’hydrogène et de CO2 en au moins deux étapes et dans des conditions de température et de pression très élevées. Notre succès à obtenir du méthanol dans des conditions douces, tout en dépensant moins d’énergie, est un grand pas en avant.
Selon Teixeira, les résultats ouvrent la voie à de futures recherches sur l’utilisation de l’énergie solaire pour ce processus de conversion, réduisant potentiellement encore son impact sur l’environnement.
Photocatalyseurs
En laboratoire, les scientifiques ont synthétisé du nitrure de carbone cristallin sous forme de polyheptazine imide (PHI), en utilisant des métaux de transition non nobles ou riches en terre, en particulier le cuivre, pour produire des photocatalyseurs actifs à lumière visible.
Ils ont ensuite utilisé les photocatalyseurs dans des réactions d’oxydation du méthane avec du peroxyde d’hydrogène comme initiateur. Le catalyseur cuivre-PHI génère un volume important de produits liquides oxygénés, notamment du méthanol (2 900 micromoles par gramme de matière, soit µmol.g-1 en quatre heures).
« Nous avons découvert le meilleur catalyseur et d’autres conditions essentielles à la réaction chimique, telles que l’utilisation d’une grande quantité d’eau et seulement une petite quantité de peroxyde d’hydrogène, qui est un agent oxydant », a déclaré Teixeira. « Les prochaines étapes consistent à mieux comprendre les sites de cuivre actifs dans le matériau et leur rôle dans la réaction. Nous prévoyons également d’utiliser directement l’oxygène pour produire du peroxyde d’hydrogène dans la réaction elle-même. En cas de succès, cela devrait rendre le processus encore plus sûr et économiquement viable.
Un autre point que le groupe continuera d’étudier concerne le cuivre. « Nous travaillons avec du cuivre dispersé. Lorsque nous avons écrit l’article, nous ne savions pas s’il s’agissait d’atomes isolés ou d’amas. Nous savons maintenant qu’il s’agit de grappes », a-t-il expliqué.
Dans l’étude, les scientifiques ont utilisé du méthane pur, mais à l’avenir, ils extrairont le gaz à partir d’énergies renouvelables telles que la biomasse.
Selon les Nations Unies, le méthane a jusqu’à présent causé environ 30% du réchauffement climatique depuis l’ère préindustrielle. Les émissions de méthane provenant de l’activité humaine pourraient être réduites jusqu’à 45 % au cours de la prochaine décennie, évitant ainsi une hausse de près de 0,3 °C d’ici 2045.
La stratégie de conversion du méthane en combustible liquide à l’aide d’un photocatalyseur est nouvelle et non disponible commercialement, mais son potentiel à court terme est important. « Nous avons commencé nos recherches il y a plus de quatre ans. Nous avons maintenant de bien meilleurs résultats que ceux du professeur Hutchings et de son groupe en 2017, ce qui a motivé nos propres recherches », a déclaré Teixeira, faisant référence à une étude publiée dans la revue Science par des chercheurs affiliés à des universités aux États-Unis et au Royaume-Uni, et dirigé par Graham Hutchings, professeur à Université de Cardiff dans le pays de Galles.
Les références:
« Photooxydation sélective du méthane en méthanol dans des conditions douces promues par des atomes de Cu hautement dispersés sur des nitrures de carbone cristallins » par Marcos AR da Silva, Jéssica C. Gil, Nadezda V. Tarakina, Gelson TST Silva, José BG Filho, Klaus Krambrock, Markus Antonietti, Caue Ribeiro et Ivo F. Teixeira, 31 mai 2022, Communications chimiques.
DOI : 10.1039/D2CC01757A
« Les colloïdes aqueux Au-Pd catalysent le CH sélectif4 oxydation en CH3OH avec O2 dans des conditions douces » par Nishtha Agarwal, Simon J. Freakley, Rebecca U. McVicker, Sultan M. Althahban, Nikolaos Dimitratos, Qian He, David J. Morgan, Robert L. Jenkins, David J. Willock, Stuart H. Taylor, Christopher J. Kiely et Graham J. Hutchings, 7 septembre 2017, Science.
DOI : 10.1126/science.aan6515
