Catalyseur pour un gaz de synthèse durable
Des chercheurs de l'ETH ont mis au point un catalyseur qui produit du CO2 et transforme efficacement le méthane en gaz de synthèse - un mélange d'hydrogène et de monoxyde de carbone. On pourrait à l'avenir en tirer des carburants et des matières plastiques durables.
Aujourd'hui, presque tous les carburants, combustibles et matières plastiques sont basés sur des sources de carbone fossile comme le pétrole, le gaz naturel ou le charbon. Des recherches sont menées dans le monde entier pour trouver des moyens de remplacer les hydrocarbures fossiles par des alternatives durables. Une approche consiste à resynthétiser des composés organiques à partir des matières premières nuisibles au climat que sont le méthane (CH4) et le CO2.
Dans une première étape, les deux gaz à effet de serre doivent réagir entre eux en consommant de l'énergie. Il en résulte un mélange de gaz composé d'hydrogène riche en énergie (H2) et le monoxyde de carbone (CO), appelé gaz de synthèse.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur ETH Christoph Müller et le scientifique senior Alexey Fedorov vient de mettre au point un nouveau type de catalyseur qui permet de transformer le CO2 et CH4 dans le gaz de synthèse de manière beaucoup plus efficace que les matériaux catalytiques existants.
Le gaz de synthèse est un matériau de base important pour l'industrie chimique : il peut être transformé en carburants liquides synthétiques ou on en extrait du méthanol, qui sert à son tour de produit chimique de base pour la fabrication de matières plastiques.
Très actif et stable
Le nouveau catalyseur est constitué de carbures d'oxyde métallique très fins. Plus précisément, il s'agit de films très fins de carbures métalliques, de quelques couches atomiques seulement, stabilisés sur un support d'oxyde. C'est sur ces couches minces que se produit la réaction chimique du CO2 et le méthane en gaz de synthèse. Dans ce contexte, les carbures d'oxyde métallique en forme de surface présentent une activité catalytique environ mille fois supérieure à celle de leurs prédécesseurs, des carbures métalliques à structure spatiale (dits carbures en vrac). De plus, ces nouveaux catalyseurs se révèlent particulièrement stables.
"Les catalyseurs traditionnels à base de carbures métalliques ont la f?cheuse tendance, en présence de CO2 s'oxydent et perdent ainsi leurs capacités réactives", explique Christoph Müller, professeur de sciences et de génie énergétiques au département Génie mécanique et des procédés. Les nouveaux carbures d'oxydes métalliques ne présentent pas cet inconvénient.
Fermer le cycle du carbone
La réaction catalytique du CO2 et le méthane en gaz de synthèse est une étape importante dans la perspective de la production de carburants et de produits chimiques de base respectueux du climat. ?tant donné qu'il est possible de réduire le CO2 peut être extrait de l'atmosphère et que seul le méthane provient de gisements fossiles vieux de millions d'années, de tels carburants et produits chimiques de synthèse auraient une empreinte carbone plus faible que les combustibles fossiles.
Le chemin est toutefois encore long jusqu'à une application industrielle. "Nous espérons que notre nouveau matériau catalytique deviendra une option attrayante pour la production de gaz de synthèse", déclare Alexey Fedorov, collaborateur scientifique du groupe de Müller et coauteur de l'étude.
Selon les chercheurs, le nouvel accélérateur de réaction pourrait notamment remplacer les catalyseurs co?teux à base de métaux précieux, comme le ruthénium. Mais en raison de leurs propriétés catalytiques, les carbures d'oxydes métalliques ultraminces ont également le potentiel de permettre de toutes nouvelles applications.
Référence bibliographique
Kurlov A, Deeva E, Abdala P, Lebedev D, Tsoukalou A, Comas-Vives A, Fedorov A, Müller C : Exploitation de la morphologie bidimensionnelle de l'oxycarbure de molybdène pour permettre un reformage catalytique à sec efficace du méthane. Nature Communications 11, 4920 (2020). doi : c?té externe10.1038/s41467-020-18721-0