Dans une étude récente, des chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo ont développé un nouveau catalyseur zéolitique bifonctionnel qui convertit efficacement le méthane et l'oxyde nitreux en produits chimiques précieux, offrant ainsi une méthode plus durable et plus économe en énergie que les processus traditionnels. La capacité unique du catalyseur à optimiser la répartition spatiale des sites de cuivre et d'acide lui permet de réduire efficacement les émissions de gaz à effet de serre tout en produisant des hydrocarbures utiles, guidant potentiellement les futurs efforts de décarbonation dans l'industrie chimique.
Les chercheurs ont développé un nouveau catalyseur qui convertit le méthane en produits chimiques précieux de manière plus durable, ce qui pourrait potentiellement faire progresser les efforts visant à décarboner l'industrie chimique.
Le méthane, un puissant gaz à effet de serre, joue un rôle crucial à la fois comme source d’énergie et comme matière première chimique vitale. Généralement, le méthane subit une conversion en méthanol avant d'être transformé en hydrocarbures. Ce processus nécessite cependant des systèmes industriels élaborés. Surtout, le méthane étant une molécule très stable, sa conversion en méthanol par des méthodes traditionnelles comme le reformage du méthane à la vapeur est très gourmande en énergie.
Dans ce contexte, la conversion catalytique du méthane en méthanol ou en d’autres produits chimiques a attiré beaucoup d’attention de la part des scientifiques, désireux de trouver des solutions plus économes en énergie et plus durables. Parmi les catalyseurs récemment signalés, les zéolites contenant du cuivre (Cu) se sont révélées prometteuses pour la conversion du méthane en méthanol dans des conditions douces. Malheureusement, le rendement et la sélectivité de la plupart des catalyseurs signalés sont faibles, ce qui signifie que de grandes quantités de sous-produits indésirables sont générées parallèlement au méthanol.
Cette étude propose de nouvelles façons de transformer le méthane et le protoxyde d’azote en substances à valeur ajoutée, contribuant ainsi à la décarbonisation de l’industrie chimique. Crédit : Tokyo Tech
Dans une étude récente publiée dans Communications naturelles, une équipe de recherche comprenant le professeur agrégé Toshiyuki Yokoi de l'Institut de technologie de Tokyo, au Japon, a étudié un nouveau type de catalyseur zéolitique bifonctionnel. Il est intéressant de noter que cette zéolite à base d'aluminosilicate contenant du Cu est capable de convertir le méthane et protoxyde d'azoteun autre gaz à effet de serre, directement en composés précieux grâce à une série de réactions intermédiaires.
Optimisation de la structure du catalyseur pour un rendement amélioré
L’une des questions clés abordées par les chercheurs était de savoir comment la répartition spatiale des différents sites actifs dans le catalyseur affectait le résultat des réactions. À cette fin, ils ont préparé plusieurs catalyseurs en utilisant non seulement différentes concentrations de Cu et acide sites (protons) dans les solutions aqueuses mais aussi différentes techniques de mélange physique pour les échantillons solides.
Grâce à diverses techniques expérimentales et analytiques, les chercheurs ont découvert que la proximité entre le Cu et les sites acides était cruciale pour déterminer les produits finaux. Plus précisément, ils ont rapporté que lorsque les sites de Cu étaient proches les uns des autres, le méthanol produit dans les sites de Cu à partir du méthane avait une probabilité plus élevée d'être suroxydé par un site de Cu adjacent, le transformant en dioxyde de carbone. En revanche, lorsque les sites Cu et les sites acides étaient proches les uns des autres, le méthanol réagissait avec l’oxyde nitreux dans un site acide adjacent pour produire des hydrocarbures précieux et de l’azote gazeux inoffensif.
« Nous avons conclu que, pour une production stable et efficace de méthanol et, à terme, d'hydrocarbures utiles à partir du méthane, il est nécessaire de répartir uniformément les sites Cu et les sites acides et de les placer à une distance appropriée les uns des autres », explique Yokoi. « Nous avons également constaté que la distribution des produits obtenus est également influencée par les propriétés acides et la structure des pores du catalyseur zéolitique. »
L’un des avantages les plus notables du catalyseur proposé est sa capacité à entretenir des réactions en tandem, c’est-à-dire un processus simple qui fusionne plusieurs étapes en une seule et élimine simultanément deux gaz à effet de serre nocifs différents. Cette propriété sera essentielle pour rendre de tels systèmes catalytiques attractifs dans un contexte industriel. « Nous espérons que nos travaux guideront les efforts futurs visant à réaliser l'oxydation du méthane en méthanol et ouvriront des voies pour promouvoir la synthèse d'hydrocarbures en utilisant le méthanol comme intermédiaire », conclut Yokoi.
Avec un peu de chance, cette étude servira de tremplin vers la décarbonisation de l’industrie chimique, contribuant ainsi à la réalisation d’une société neutre en carbone.
L'étude a été financée par la Société japonaise pour la promotion de la science.
