06.07.2022 - Oak Ridge National Laboratory

Trouvé : Le "Saint Graal de la catalyse"

Transformer le méthane en méthanol dans des conditions ambiantes en utilisant la lumière

Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par des scientifiques de l'université de Manchester, a mis au point une méthode rapide et économique de conversion du méthane, ou gaz naturel, en méthanol liquide à température et pression ambiantes. La méthode se déroule en flux continu sur un matériau photo-catalytique utilisant la lumière visible pour conduire la conversion.

Pour observer le fonctionnement et la sélectivité du processus, les chercheurs ont utilisé la diffusion des neutrons dans l'instrument VISION de la source de neutrons à spallation du Oak Ridge National Laboratory.

La méthode consiste à faire circuler en continu de l'eau saturée en méthane et en oxygène sur un nouveau catalyseur de type MOF (metal-organic framework). Le MOF est poreux et contient différents composants qui ont chacun un rôle dans l'absorption de la lumière, le transfert des électrons et l'activation et le rapprochement du méthane et de l'oxygène. Le méthanol liquide est facilement extrait de l'eau. Un tel processus est communément considéré comme "le Saint Graal de la catalyse" et constitue un domaine d'intérêt pour la recherche soutenue par le ministère américain de l'énergie. Les détails des résultats de l'équipe, intitulés "Direct photo-oxidation of methane to methanol over a mono-iron hydroxyl site", sont publiés dans Nature Materials.

Le méthane présent dans la nature est un combustible abondant et précieux, utilisé dans les fours, les chaudières, les chauffe-eau, les fours, les automobiles et les turbines. Cependant, le méthane peut également être dangereux en raison de la difficulté de l'extraire, de le transporter et de le stocker.

Le méthane est également dangereux pour l'environnement lorsqu'il est libéré ou fuit dans l'atmosphère, où il constitue un puissant gaz à effet de serre. Les principales sources de méthane atmosphérique sont la production et l'utilisation de combustibles fossiles, la pourriture ou la combustion de la biomasse (feux de forêt), les déchets agricoles, les décharges et la fonte du pergélisol.

L'excès de méthane est généralement brûlé, ou torché, pour réduire son impact sur l'environnement. Toutefois, ce processus de combustion produit du dioxyde de carbone, qui est lui-même un gaz à effet de serre.

L'industrie cherche depuis longtemps un moyen économique et efficace de convertir le méthane en méthanol, une matière première très commercialisable et polyvalente utilisée pour fabriquer divers produits de consommation et industriels. Cela contribuerait non seulement à réduire les émissions de méthane, mais constituerait également une incitation économique à le faire.

Le méthanol est une source de carbone plus polyvalente que le méthane et c'est un liquide facilement transportable. Il peut être utilisé pour fabriquer des milliers de produits tels que des solvants, des antigels et des plastiques acryliques, des tissus et des fibres synthétiques, des adhésifs, de la peinture et du contreplaqué, ainsi que des agents chimiques utilisés dans les produits pharmaceutiques et agrochimiques. La conversion du méthane en un carburant de grande valeur, tel que le méthanol, devient également plus intéressante à mesure que les réserves de pétrole diminuent.

Rompre le lien

L'un des principaux défis de la conversion du méthane (CH4) en méthanol (CH3OH) a été la difficulté d'affaiblir ou de rompre la liaison chimique carbone-hydrogène (C-H) afin d'insérer un atome d'oxygène (O) pour former une liaison C-OH. Les méthodes classiques de conversion du méthane comportent généralement deux étapes, le reformage à la vapeur suivi de l'oxydation du gaz de synthèse, qui sont énergivores, coûteuses et inefficaces car elles nécessitent des températures et des pressions élevées.

Le procédé rapide et économique de conversion du méthane en méthanol mis au point par l'équipe de recherche utilise un matériau MOF à plusieurs composants et la lumière visible pour effectuer la conversion. Un flux d'eau saturée en CH4 et en O2 passe à travers une couche de granules de MOF tout en étant exposé à la lumière. Le MOF contient différents composants conçus qui sont situés et maintenus dans des positions fixes au sein de la superstructure poreuse. Ils travaillent ensemble pour absorber la lumière et générer des électrons qui sont transmis à l'oxygène et au méthane dans les pores pour former du méthanol.

"Pour simplifier grandement le processus, lorsque le méthane est exposé au matériau MOF fonctionnel contenant des sites mono-fer-hydroxyle, les molécules d'oxygène activées et l'énergie de la lumière favorisent l'activation de la liaison C-H du méthane pour former du méthanol", explique Sihai Yang, professeur de chimie à Manchester et auteur correspondant. "Le processus est 100 % sélectif - ce qui signifie qu'il n'y a pas de sous-produit indésirable - comparable à la méthane monooxygénase, qui est l'enzyme présente dans la nature pour ce processus."

Les expériences ont démontré que le catalyseur solide peut être isolé, lavé, séché et réutilisé pendant au moins 10 cycles, soit environ 200 heures de réaction, sans aucune perte de performance.

Le nouveau processus photocatalytique est analogue à la façon dont les plantes convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique pendant la photosynthèse. Les plantes absorbent la lumière du soleil et le dioxyde de carbone à travers leurs feuilles. Un processus photocatalytique convertit ensuite ces éléments en sucres, oxygène et vapeur d'eau.

Ce processus a été qualifié de "Saint Graal de la catalyse". Au lieu de brûler le méthane, il est désormais possible de le convertir directement en méthanol, un produit chimique de grande valeur qui peut être utilisé pour produire des biocarburants, des solvants, des pesticides et des additifs de carburant pour les véhicules", a déclaré Martin Schröder, vice-président et doyen de la faculté des sciences et de l'ingénierie de Manchester et auteur correspondant. "Ce nouveau matériau MOF pourrait également être capable de faciliter d'autres types de réactions chimiques en servant de sorte de tube à essai dans lequel nous pouvons combiner différentes substances pour voir comment elles réagissent."

Utiliser les neutrons pour se représenter le processus

"L'utilisation de la diffusion des neutrons pour prendre des "photos" à l'instrument VISION a initialement confirmé les fortes interactions entre CH4 et les sites mono-fer-hydroxyle dans le MOF qui affaiblissent les liaisons C-H", a déclaré Yongqiang Cheng, scientifique de l'instrument à la direction des sciences neutroniques de l'ORNL.

"VISION est un spectromètre vibratoire neutronique à haut débit, optimisé pour fournir des informations sur la structure moléculaire, les liaisons chimiques et les interactions intermoléculaires", a déclaré Anibal "Timmy" Ramirez Cuesta, qui dirige le groupe de spectroscopie chimique au SNS. "Les molécules de méthane produisent des signaux de diffusion de neutrons forts et caractéristiques de leur rotation et de leur vibration, qui sont également sensibles à l'environnement local. Cela nous permet de révéler sans ambiguïté les interactions d'affaiblissement des liaisons entre le CH4 et le MOF grâce à des techniques avancées de spectroscopie neutronique."

Rapide, économique et réutilisable

En éliminant le besoin de températures ou de pressions élevées, et en utilisant l'énergie de la lumière solaire pour alimenter le processus de photo-oxydation, la nouvelle méthode de conversion pourrait réduire considérablement les coûts d'équipement et d'exploitation. La rapidité du procédé et sa capacité à convertir le méthane en méthanol sans sous-produits indésirables faciliteront le développement d'un traitement en ligne qui minimise les coûts.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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