Des chercheurs découvrent une voie de synthèse inattendue : une nouvelle méthode pour produire du méthane sans impact sur le climat
Un nouveau matériau permet de produire du méthane à partir d'eau et de dioxyde de carbone – une alternative au gaz naturel sans impact sur le climat
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Le gaz naturel joue toujours un rôle important dans de nombreux secteurs industriels – mais il s’agit d’un combustible fossile nuisible au climat. L'Université technique de Vienne (TU Wien) et l'Université d'Innsbruck ont désormais découvert une voie de réaction inattendue qui permet de synthétiser du gaz naturel, ou méthane (CH₄), à partir deCO₂ préalablement capté dans les flux de gaz d'échappement ou directement dans l'air. De cette manière, le méthane peut devenir globalement neutre sur le plan climatique.
Sous l'effet d'une tension électrique, la surface de nickel déposée sur de la zircone est capable de transformer le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau en méthane – ce qui pourrait constituer un moyen de stocker chimiquement l'énergie renouvelable.
© TU Wien
Pour y parvenir, il faut toutefois disposer de matériaux spécifiques. La recherche de ces matériaux est au cœur du projet de recherche MECS, un pôle d’excellence autrichien financé par le Fonds autrichien pour la science (FWF). Une étape importante vient d’être franchie : l’équipe a étudié le nickel sur de la zircone stabilisée à l’yttrium. Au contact de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone, ce matériau permet une cascade complexe de processus chimiques, qui a désormais été décryptée en détail pour la première fois – aboutissant finalement à la production de méthane.
Deux étapes en une
« L’idée de convertir le dioxyde de carbone en gaz produits n’est pas nouvelle », explique le professeur Günther Rupprechter, de l’Institut de chimie des matériaux de l’Université technique de Vienne (TU Wien). « Le dioxyde de carbone peut être dissocié, puis mis à réagir avec de l’hydrogène. Mais la question qui se pose alors est la suivante : d’où provient l’hydrogène ? »
Aujourd’hui, la majeure partie de l’hydrogène est encore produite à partir de sources fossiles – on parle alors d’hydrogène « noir » ou « gris ». Si l’on recourt à ce type d’hydrogène, le processus global n’est pas neutre sur le plan climatique. « Pour nous, au sein du pôle de recherche MECS, il était évident qu’il serait bien plus élégant de mettre au point un procédé permettant d’accomplir deux choses à la fois : d’une part, décomposer le dioxyde de carbone pour obtenir du carbone, et d’autre part, décomposer l’eau pour produire simultanément de l’hydrogène « vert » », explique Günther Rupprechter. L’hydrogène et le carbone peuvent ensuite être utilisés pour former du méthane (CH₄) entièrement renouvelable. Dans des étapes ultérieures, si nécessaire, ce méthane pourrait également être converti en d’autres substances, telles que des carburants liquides renouvelables.
La zircone, une star sous-estimée
« Pendant des années, on a supposé que le nickel était le principal facteur déterminant de ce processus chimique », déclare Bernhard Klötzer, de l’université d’Innsbruck. « Mais certains résultats expérimentaux ne correspondaient pas tout à fait à cette image. Nous voulions comprendre exactement ce qui se passe à la surface électrochimiquement active. »
Pour le découvrir, l’équipe a mis au point une électrode modèle poreuse très particulière, composée de nickel sur de la zircone stabilisée à l’yttria, et l’a analysée à l’aide de la spectroscopie photoélectronique à rayons X. Cette technique permet de suivre directement les changements chimiques au cours du processus, en temps réel.
Le résultat a été une surprise : la zircone avait initialement été utilisée principalement parce qu’elle est perméable aux ions oxygène et qu’elle peut évacuer l’oxygène. « Mais il s’est avéré que la zircone joue ici un rôle bien plus actif qu’on ne le pensait auparavant », explique Christoph Thurner, premier auteur de l’étude actuelle. « Lorsque nous appliquons une tension électrique, le carbone se dépose d’abord sur les atomes de nickel – c’est ce à quoi nous nous attendions. Mais une partie de ce carbone migre ensuite vers la surface de la zircone, où se forme un composé réactif de carbone et de zirconium. Dès que de petites quantités de vapeur d’eau entrent en contact avec ce composé, celui-ci réagit à nouveau et du méthane se forme. »
Stockage chimique de l’énergie solaire
« Le comportement dynamique de la surface de la zircone s’est avéré crucial », explique Alexander Genest, de l’Université technique de Vienne (TU Wien), qui a réalisé les simulations. « Nous avons pu montrer que le méthane se forme par une voie de réaction jusqu’alors inconnue. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de cellules d’électrolyse. Cela nous offre un moyen d’utiliser l’énergie électrique excédentaire par voie électrochimique, par exemple lors de journées particulièrement ensoleillées où les installations photovoltaïques produisent un excédent d’électricité, et de produire du méthane. De cette manière, l’énergie peut être stockée sous forme de combustibles polyvalents pouvant être conservés à long terme sans difficulté. »
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