Du « craquage » plus propre à l’or noir

Alors qu’il cherchait un moyen plus propre et plus efficace de produire de l’éthylène, Twizerimana avait mis la main sur le nouvel « or noir », comme on appelle le graphite dans les secteurs de la haute technologie et de l’automobile. Ce graphite est un composant essentiel des batteries lithium-ion, indispensables aux véhicules électriques, à l’électronique moderne et au stockage d’énergie verte. Cependant, les méthodes actuelles de production du graphite, qui nécessitent des températures de 3 000 °C, sont loin d’être économes en énergie, et aujourd’hui, 95 % de ce matériau provient de Chine.  

Consciente de la nécessité de produire plus efficacement du graphite et de l’hydrogène aux États-Unis, l’équipe de l’université de Pittsburgh composée de Veser et Twizerimana, en collaboration avec le maître de conférences Mohammad Masnadi et le doctorant Nader Sawtarie, a déposé un brevet provisoire et lancé la start-up Graphonos Materials (anciennement Grapheon). L’entreprise a fait la démonstration de sa technologie novatrice en laboratoire et a attiré l’attention des investisseurs en capital-risque, tout récemment lors du concours de business plans de l’université Rice, où elle a remporté le prix Aramco Innovator d’une valeur de 20 000 dollars.

Une découverte inattendue

« Ce qui freine la transition vers une énergie plus propre, c’est cette attitude qui consiste à se positionner soit pour, soit contre les énergies renouvelables », explique Veser, professeur de génie chimique et pétrolier à la Swanson School et Leonard Peters Faculty Fellow au sein du programme Covestro Circular Economy. « Mes recherches explorent les moyens de concilier le traitement des combustibles fossiles avec un avenir plus durable, afin de soutenir cette transition. » 

En collaboration avec M. Masnadi, qui occupe désormais également le poste de directeur du développement durable chez Graphonos Materials, M. Veser étudie de nouvelles méthodes pour séparer, ou « craquer », l’éthane, un composant principal du gaz naturel présent dans l’ouest de la Pennsylvanie. Le craquage de l’éthane en éthylène nécessite de la chaleur et génère du carbone solide issu de réactions secondaires ; l’approche la plus courante consiste à injecter de la vapeur dans un réacteur pour éviter l’obstruction des tubes de celui-ci.

« C’est un procédé très gourmand en énergie et générateur d’émissions, où l’accumulation de carbone dans le réacteur nécessite des arrêts réguliers de la production pour le nettoyage », a déclaré M. Veser, qui est également directeur technique chez Graphonos Materials. « À la recherche d’une alternative plus propre, nous nous sommes tournés vers la catalyse sur métal fondu, une technique peu répandue mais qui existe déjà depuis près d’un siècle. »

Au lieu d’utiliser un catalyseur métallique solide, les chercheurs ont fait passer l’éthane à travers du métal en fusion, où il se déshydrogène. « Les métaux en fusion présentent un avantage incroyable », a déclaré M. Masnadi. « En raison de la densité extrême des métaux liquides, le carbone remonte à la surface et s’y dépose. »

Dans le cadre de sa thèse de doctorat, Twizerimana, aujourd’hui PDG de Graphonos Materials et chercheur postdoctoral à la Swanson School, étudiait ce procédé. Comme il l’a expliqué : « C’était vers la fin de mon doctorat, et j’ai remarqué qu’avec certains des métaux que nous utilisions, le carbone qui se formait présentait un aspect différent, plus aéré. Nous avons décidé d’examiner cela de plus près. »

Twizerimana s’est tourné vers Sawtarie, un autre doctorant qui menait des recherches sur les propriétés uniques des métaux 2D au sein du laboratoire de nanoionique et d’électronique de la professeure Susan Fullerton. « Une partie de ma thèse portait sur le graphène, une forme de graphite », explique Sawtarie, directeur des produits chez Graphonos Materials. « J’ai caractérisé ce sous-produit, qui s’est avéré être d’une valeur inestimable. »

Un détour par le « Super Bowl »

« Alors que nous cherchions de nouvelles façons de craquer l’éthane, nous avons découvert que nous pouvions produire du graphite de qualité batterie en chauffant l’éthane à des températures inférieures à 1 000 °C », a expliqué Twizerimana. « Nous produisons du graphite selon un procédé plus durable et économiquement compétitif, avec de l’hydrogène généré comme coproduit de grande valeur. »

Aujourd’hui, la majeure partie du graphite de qualité batterie est produite en Chine selon un procédé extrêmement gourmand en énergie. Le coke de pétrole cristallin, appelé « coke en aiguilles », est chauffé à 3 000 °C selon un procédé discontinu très lent, où un seul lot peut prendre jusqu’à trois semaines. Il existe des producteurs nationaux de graphite qui utilisent ce procédé intensif, mais le graphite qu’ils produisent est plus cher que celui de la Chine, qui domine le marché. 

L’équipe de l’université de Pittsburgh a mis au point et validé un procédé impliquant deux laboratoires de la Swanson School, qui a permis de produire deux ingrédients clés pour un avenir énergétique plus propre. Lors du lancement de Graphonos Materials, elle a trouvé un soutien précieux auprès du Big Idea Center de l’université de Pittsburgh. Ce centre aide les étudiants et les enseignants-chercheurs entrepreneurs à concrétiser leurs idées, à élaborer et à présenter leurs projets.

Ce soutien a contribué à mener Graphonos Materials à ce que le professeur Christopher Wilmer de l’université de Pittsburgh appelle « le Super Bowl des concours de pitchs ». Sur les plus de 550 équipes du monde entier qui se sont portées candidates pour participer au Rice Business Plan Competition, 41 ont été sélectionnées, dont Graphonos Materials.

En avril dernier, lors de la compétition, ils ont fait partie des 15 équipes à atteindre les demi-finales et des deux équipes à remporter le prix Aramco Innovator Prize, d’une valeur de 20 000 dollars. Selon Aramco Ventures, ce prix « récompense les solutions les plus avant-gardistes et les plus percutantes du concours de cette année et rend hommage aux entrepreneurs qui incarnent cet esprit de découverte et d’excellence technique ».

À l’université de Pittsburgh, l’équipe a également remporté le grand prix du concours «Big Idea Competition», d’une valeur de 25 000 dollars. Ensemble, ces récompenses ont validé leur travail et son potentiel à transformer la manière dont le graphite et l’hydrogène sont produits. «Nous avons constaté qu’il existe un besoin important de graphite durable et à faible coût sur le marché», a déclaré Twizerimana. « C’est le moment idéal pour y répondre. »

« Nous levons des fonds pour développer notre premier système à l’échelle du laboratoire entièrement intégré, qui nous permettra de produire plusieurs kilogrammes par jour et nous fournira les bases techniques nécessaires à la conception d’une unité pilote », a déclaré M. Veser. En cas de succès, cela permettra à l’équipe de transformer l’éthane de l’ouest de la Pennsylvanie en deux produits essentiels à la transition vers une énergie plus propre, ici même à Pittsburgh.