Les catalyseurs d’aujourd’hui pour éliminer le méthane non brûlé des gaz d’échappement des moteurs à gaz naturel sont soit inefficaces à des températures de démarrage basses, soit se décomposent à des températures de fonctionnement plus élevées. Un nouveau catalyseur à un seul atome développé par le SLAC National Accelerator Laboratory et l’Université de l’État de Washington résout ces deux problèmes et élimine 90 % du méthane. Cette illustration représente des atomes de palladium individuels (blancs) éliminant le méthane (bulles blanches) à la surface du catalyseur. Crédit : Cortland Johnson/Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique
Les scientifiques ont mis au point un catalyseur utilisant des atomes de palladium uniques qui peuvent éliminer 90 % du méthane non brûlé des gaz d’échappement des moteurs à gaz naturel à basse température, offrant ainsi la possibilité de réduire considérablement les émissions de méthane. D’autres recherches sont en cours pour faire avancer cette technologie prometteuse vers la commercialisation.
Technologie catalytique pionnière
Un catalyseur utilisant un seul ou quelques atomes de palladium a éliminé 90% du méthane non brûlé des gaz d’échappement des moteurs à gaz naturel à basse température dans une étude récente. Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, les avancées en matière de atome la catalyse a le potentiel de réduire les émissions d’échappement de méthane, l’un des pires gaz à effet de serre qui emprisonne la chaleur à environ 25 fois le taux de dioxyde de carbone.
Des découvertes prometteuses dans le contrôle des émissions des moteurs
Reportage dans le journal, Catalyse naturelleun effort de recherche entre la Washington State University et le SLAC National Accelerator Laboratory a montré que le catalyseur à un seul atome était capable d’éliminer le méthane des gaz d’échappement du moteur à des températures plus basses, inférieures à 350 degrés Celsius (662 degrés Fahrenheit), tout en maintenant la stabilité de la réaction à des températures plus élevées.
« C’est presque un processus d’auto-modulation qui surmonte miraculeusement les défis auxquels les gens se sont battus – l’inactivité à basse température et l’instabilité à haute température », a déclaré Yong Wang, professeur Regents à la WSU’s Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering et un auteur correspondant. sur le papier.
Les défis des moteurs au gaz naturel
Les moteurs au gaz naturel sont utilisés dans environ 30 à 40 millions de véhicules dans le monde et sont populaires en Europe et en Asie. L’industrie du gaz les utilise également pour faire fonctionner des compresseurs qui pompent le gaz naturel jusqu’aux habitations. Ils sont généralement considérés comme plus propres que les moteurs à essence ou diesel, créant moins de pollution par le carbone et les particules.
Cependant, lorsque ces moteurs au gaz naturel démarrent, ils émettent du méthane non brûlé qui retient la chaleur car leurs convertisseurs catalytiques ne fonctionnent pas bien à basse température. Les catalyseurs d’élimination du méthane sont soit inefficaces à des températures d’échappement plus basses, soit se dégradent fortement à des températures plus élevées.
L’importance du contrôle du méthane
« Il y a une grande tendance à utiliser le gaz naturel, mais lorsque vous l’utilisez pour les moteurs à combustion, il y aura toujours du gaz naturel non brûlé à l’échappement, et vous devez trouver un moyen de l’éliminer. Sinon, vous provoquez un réchauffement climatique plus grave », a déclaré le co-auteur Frank Abild-Pedersen, chercheur au SLAC National Accelerator Laboratory. « Si vous pouvez éliminer 90 % du méthane des gaz d’échappement et maintenir la réaction stable, c’est formidable. »
Un catalyseur à un seul atome avec les métaux actifs dispersés individuellement sur un support utilise également chaque atome des métaux coûteux et précieux, a ajouté Wang.
« Si vous pouvez les rendre plus réactifs, c’est la cerise sur le gâteau », a-t-il déclaré.
Élimination efficace du méthane avec des atomes de palladium uniques
Dans leurs travaux, les chercheurs ont pu montrer que leur catalyseur composé d’atomes de palladium simples sur un support d’oxyde de cérium éliminait efficacement le méthane des gaz d’échappement du moteur, même lorsque le moteur venait juste de démarrer.
Ils ont découvert que des traces de monoxyde de carbone toujours présentes dans les gaz d’échappement des moteurs jouaient un rôle clé dans la formation dynamique de sites actifs pour la réaction à température ambiante. Le monoxyde de carbone a aidé les atomes uniques de palladium à migrer pour former des amas de deux ou trois atomes qui séparent efficacement les molécules de méthane à basse température.
Puis, à mesure que les températures d’échappement augmentaient, les amas de taille inférieure au nanomètre se redispersaient en atomes uniques, de sorte que le catalyseur était thermiquement stable. Ce processus réversible permet au catalyseur de fonctionner efficacement et utilise chaque atome de palladium pendant toute la durée de fonctionnement du moteur, y compris lorsqu’il a démarré à froid.
Vers la commercialisation
Christopher Tassone, scientifique du SLAC National Accelerator Laboratory et co-auteur de l’article, a salué la capacité de l’équipe à maintenir le catalyseur au palladium stable et hautement actif, l’attribuant à l’expertise diversifiée de l’équipe. Il a déclaré: « Nous avons vraiment pu trouver un moyen de maintenir le catalyseur au palladium supporté stable et hautement actif et, grâce à la diversité des compétences de l’équipe, de comprendre pourquoi cela se produisait. »
Alors que les chercheurs cherchent à améliorer encore la technologie des catalyseurs et à mieux comprendre pourquoi le palladium se comporte différemment des autres métaux précieux comme le platine, ils reconnaissent que la recherche est loin d’être intégrée dans les véhicules. Cependant, une collaboration est en cours avec des partenaires de l’industrie et le Pacific Northwest National Laboratory pour rapprocher la technologie de la commercialisation.
Outre Wang, Abild-Pedersen et Tassone, Dong Jiang, associé de recherche principal à l’école Voiland, a également dirigé les travaux. Le travail a été financé par le Bureau des sciences énergétiques de base du Département américain de l’énergie.
