L’avenir de la pétrochimie : boucle chimique et catalyseurs noyau-enveloppe

Équipe multi-universitaire, comprenant des chercheurs de Université Lehighrapporte une percée en catalyse qui pourrait soutenir le couplage oxydatif du méthane (OCM) en tant que méthode économiquement viable et plus durable pour produire la matière première chimique essentielle.

L’éthylène est parfois considéré comme le produit chimique le plus important de l’industrie pétrochimique car il sert de matière première pour une vaste gamme de produits du quotidien. Il est utilisé dans la production d’antigel, de vinyle, de caoutchouc synthétique, de mousse isolante et de plastiques de toutes sortes.

Actuellement, l’éthylène est produit par un processus à forte intensité d’énergie et de ressources appelé vapocraquage, où des températures et des pressions extrêmes produisent de l’éthylène à partir du pétrole brut en présence de vapeur et, ce faisant, émettent des tonnes de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Cependant, une autre façon de produire de l’éthylène consiste à utiliser un processus appelé couplage oxydatif du méthane (OCM). Il a le potentiel d’être une alternative plus écologique au vapocraquage, mais jusqu’à récemment, la quantité d’éthylène qu’il produit ne rendait pas le procédé économiquement viable.

Percée dans la production d’éthylène

« Jusqu’à présent, le rendement catalytique a été inférieur à 30 % pour un seul passage, ce qui signifie simplement faire passer le méthane et l’oxygène à travers le catalyseur et obtenir de l’éthylène de l’autre côté », explique Bar Mosevitzky Lis, associé de recherche postdoctoral au Département de chimie. et génie biomoléculaire au PC Rossin College of Engineering and Applied Science de l’Université Lehigh. « Des études qui ont simulé l’ensemble du processus industriel à l’aide de l’OCM ont montré que la technologie ne devient rentable que lorsque le rendement en un seul passage atteint entre 30 et 35 pour cent. »

OCM est désormais sur le point de quitter le laboratoire et d’entrer dans le monde réel. Pour la première fois, des chercheurs de Université d’État de Caroline du Nord (NCSU) et l’Université de Lehigh, en collaboration avec des chercheurs de l’Institut de conversion énergétique de Guangzhou et de l’Université des sciences et technologies de Chine orientale, ont développé un catalyseur OCM qui dépasse 30 % en ce qui concerne la production d’éthylène. L’article décrivant leur percée a été récemment publié dans Communications naturelles.

Développement de catalyseurs innovants

La collaboration a été dirigée par Fanxing Li, professeur d’ingénierie Alcoa au NCSU. Son équipe a développé une classe d’oxydes mixtes de terres rares recouverts de Li2CO3 comme catalyseurs pour le couplage oxydatif du méthane à l’aide d’un schéma de boucle chimique. Le résultat a été un rendement en un seul passage allant jusqu’à 30,6 pour cent.

« L’idée du bouclage chimique est qu’au lieu de faire une co-alimentation de méthane et d’oxygène dans la chambre avec le catalyseur, vous le faites de manière séquentielle », explique Mosevitzky Lis, qui est également l’un des coauteurs de l’étude. « Au fil du temps, le catalyseur perd de l’oxygène et il devient inefficace. Avec le bouclage chimique, vous commencez avec le méthane, puis passez à l’oxygène, puis revenez au méthane, et l’oxygène sert à réoxyder continuellement le catalyseur, reconstituant ainsi sa capacité à fournir de l’oxygène pour la réaction.

Caractérisation et potentiel du catalyseur

Mosevitzky Lis et son équipe à Lehigh, dirigée par Israel Wachs, professeur G. Whitney Snyder de génie chimique et biomoléculaire et directeur du Opérande Laboratoire de recherche en spectroscopie moléculaire et catalyse – a effectué la caractérisation du catalyseur.

« Notre spécialisation est avec sur place la caractérisation de la surface », explique Mosevitzky Lis, « ce qui signifie que nous caractérisons la surface des catalyseurs pendant que la réaction est en cours. Nous appliquons un large éventail de techniques physiques et chimiques pour comprendre les transformations que subissent les catalyseurs pendant que la réaction catalytique se déroule à leur surface et comment ces transformations sont liées à ce qui en fait de si bons catalyseurs.

Il dit que le catalyseur est composé d’un noyau d’oxyde mixte recouvert de carbonate de lithium, et que c’est l’interaction entre le noyau et l’enveloppe lors du bouclage chimique qui est responsable du rendement élevé. Ces résultats signifient que, pour la première fois, la transformation du méthane, présent dans le gaz naturel et le biogaz, en éthylène pourrait être à la portée de l’industrie.

« L’OCM a le potentiel d’être moins cher et plus efficace en termes d’énergie et d’émissions », dit-il. « De plus, au lieu d’utiliser du pétrole brut, vous utilisez du méthane qui provient généralement du gaz naturel, mais qui pourrait également être généré à l’avenir à partir du biogaz et de la réduction électrochimique du dioxyde de carbone. Et une fois que vous disposez de l’éthylène, vous pouvez le transformer en d’innombrables produits utilisés dans le monde entier.

Regarder vers l’avant

L’étape suivante consiste à déterminer l’adéquation du catalyseur à une production à l’échelle industrielle tout en essayant d’augmenter encore le rendement. Mais pour l’instant, le fait d’avoir enfin amélioré une méthode qui reste une promesse non tenue depuis les années 1980 marque une étape importante.

« La complexité du système et la dynamique qui s’y produit, c’est presque comme de l’art », explique Mosevitzky Lis. « Le noyau et l’enveloppe du catalyseur sont soumis à des processus très extrêmes, générant toutes sortes de choses intéressantes à la surface. C’est beau. »