Germain
Équipe internationale de scientifiques transforme le méthane en méthanol : une avancée vers l’économie du carburant au méthanol
UNE ÉQUIPE DE CHERCHEURS DE L’UNIVERSITÉ DE STANFORD ET DE L’UNIVERSITÉ DE LEUVEN EN BELGIQUE A RENDU PLUS CLAIR UN PROCESSUS INTRIGUANT QUI POURRAIT CONSTITUER UNE ÉTAPE IMPORTANTE VERS UNE ÉCONOMIE DU CARBURANT AU MÉTHANOL AVEC LE METHANE COMME MATIÈRE PREMIÈRE, UNE AVANCÉE QUI POURRAIT CHANGER FONDAMENTALEMENT LA FAÇON DONT LE MONDE UTILISE LE GAZ NATUREL.
Le méthanol – le plus simple des alcools – est utilisé pour fabriquer divers produits, comme les peintures et les plastiques, et comme additif à l’essence. Riche en hydrogène, le méthanol peut alimenter des piles à combustible de nouvelle génération qui pourraient avoir des avantages environnementaux considérables.
Si le gaz naturel, dont le méthane est le principal composant, pouvait être converti économiquement en méthanol, le carburant liquide obtenu serait bien plus facile à stocker et à transporter que le gaz naturel et l’hydrogène pur. Cela réduirait également considérablement les émissions de méthane provenant des installations de traitement et des pipelines de gaz naturel. Aujourd’hui, le méthane dégagé, un gaz à effet de serre plusieurs fois plus puissant que le dioxyde de carbone, annule presque les avantages environnementaux du gaz naturel par rapport au pétrole et au charbon. La nouvelle étude de l’équipe dans l’édition actuelle de Science est la dernière en date à proposer une méthode à faible consommation d’énergie pour produire du méthanol à partir du méthane.
“Ce processus utilise des cristaux couramment appelés zéolithes de fer, qui sont connus pour convertir le gaz naturel en méthanol à température ambiante”, explique Benjamin Snyder, qui a obtenu son doctorat à Stanford en étudiant les catalyseurs pour résoudre les aspects clés de ce défi. “Mais il s’agit d’une chimie extrêmement difficile à réaliser sur le plan pratique, car le méthane est chimiquement inerte.”
Lorsque le méthane est injecté dans les zéolithes de fer poreuses, le méthanol est rapidement produit à température ambiante, sans aucune chaleur ou énergie supplémentaire nécessaire. En comparaison, le processus industriel classique de fabrication du méthanol à partir du méthane nécessite des températures de 1000°C (1832°F) et une pression extrêmement élevée.
“C’est un processus économiquement tentant, mais ce n’est pas si facile. Des obstacles importants empêchent le passage à grande échelle de ce processus”, déclare Edward Solomon, professeur de chimie à Stanford et de science des photons au SLAC National Accelerator Laboratory. Solomon est le dernier auteur de la nouvelle étude.
Malheureusement, la plupart des zéolithes de fer se désactivent rapidement. Incapable de traiter plus de méthane, le processus s’épuise. Les scientifiques ont été enthousiasmés par l’étude des moyens d’améliorer les performances des zéolithes de fer. La nouvelle étude, co-écrite par Hannah Rhoda, doctorante en chimie inorganique à Stanford, utilise la spectroscopie avancée pour explorer la structure physique des zéolithes les plus prometteuses pour la production de méthanol à partir de méthane.
“Une question clé ici est de savoir comment obtenir le méthanol sans détruire le catalyseur”, a déclaré Rhoda.
En choisissant deux zéolithes de fer attrayantes, l’équipe a étudié la structure physique des réseaux autour du fer. Ils ont découvert que la réactivité varie considérablement en fonction de la taille des pores de la structure cristalline environnante. L’équipe l’appelle l'”effet de la cage”, car la latte d’encapsulation ressemble à une cage.
Si les pores dans les cages sont trop grands, le site actif se désactive après un seul cycle de réaction et ne se réactive jamais. Lorsque les ouvertures des pores sont plus petites, cependant, elles coordonnent une danse moléculaire précise entre les réactifs et les sites actifs du fer, produisant directement du méthanol et régénérant le site actif. En exploitant cet “effet de la cage”, l’équipe a pu réactiver 40 % des sites désactivés de manière répétée, une avancée conceptuelle significative vers un processus catalytique à grande échelle.
“Le recyclage catalytique – la réactivation continue des sites régénérés – pourrait un jour conduire à une production économique continue de méthanol à partir de gaz naturel”, a déclaré Snyder, qui est maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Californie à Berkeley, au département de chimie sous la direction de Jeffrey R. Long.
Cette avancée fondamentale dans la science de base aidera les chimistes et les ingénieurs chimistes à comprendre le processus utilisé par les zéolithes de fer pour produire du méthanol à température ambiante, mais il reste encore beaucoup de travail à faire avant qu’un tel processus puisse être industrialisé.
La prochaine étape de la liste de Snyder : réaliser le processus non seulement à température ambiante, mais en utilisant l’air ambiant plutôt que d’autres sources d’oxygène, comme le protoxyde d’azote utilisé dans ces expériences. Traiter un puissant agent oxydant comme l’oxygène, qui est notoirement difficile à contrôler dans les réactions chimiques, sera un autre obstacle considérable sur le chemin.
Pour l’instant, Snyder était à la fois satisfait et émerveillé par les pouvoirs illustratifs des instruments de spectroscopie sophistiqués des laboratoires Solomon, qui ont été utilisés pour cette étude. Ils ont été précieux pour sa compréhension de la chimie et des structures chimiques impliquées dans le processus de conversion du méthane en méthanol.
“Il est impressionnant de pouvoir obtenir des informations atomiques très puissantes, comme l’effet de la cage, grâce à ces outils qui n’étaient pas disponibles pour les générations précédentes de chimistes”, a déclaré Snyder.
Sources :
– Article original : [https://science.sciencemag.org/content/373/6552/327](https://science.sciencemag.org/content/373/6552/327)
– [Stanford University](https://profiles.stanford.edu/edward-solomon)
– [SLAC National Accelerator Laboratory](https://www6.slac.stanford.edu/)
