Les chercheurs ont réussi à améliorer un catalyseur utilisé dans les réactions de réforme à sec qui produisent de l'énergie à partir de gaz à effet de serre. Le catalyseur auto-générateur nouvellement développé offre une durabilité élevée et réduit considérablement l'utilisation des métaux par rapport aux catalyseurs conventionnels, améliorant considérablement l'efficacité économique.
L'œuvre est publiée dans la revue Catalyse ACS. L'équipe comprenait le Dr Heeyeon Kim et le Dr Yoonseok Choi du laboratoire d'électrolyse à haute température du Korea Institute of Energy Research, en collaboration avec le professeur Woochul Jung du Département de science et d'ingénierie des matériaux de la Séoul National University.
La réforme à sec est une technologie qui réagit avec le méthane (Ch₄) et le dioxyde de carbone (CO₂) – les deux principaux gaz à effet de serre – à des températures élevées pour synthétiser l'hydrogène (H₂) et le monoxyde de carbone (CO). En réduisant les gaz à effet de serre, il aide à lutter contre le réchauffement climatique tout en produisant de l'hydrogène, une source d'énergie clé et des syngas polyvalents. Pour ces raisons, il a été un domaine de recherche actif dans le monde universitaire et l'industrie.
Les réactions de réforme à sec utilisent généralement des catalyseurs de nickel (NI), qui sont à la fois rentables et très performants. Cependant, pendant la réaction, le carbone a tendance à se déposer sur la surface du catalyseur, entraînant une baisse rapide des performances. Ce dépôt de coke est un obstacle majeur à l'exploitation et à la commercialisation à long terme, entraînant des recherches actives sur de nouvelles conceptions de catalyseurs et l'optimisation des conditions de fonctionnement.
En tant qu'alternative, la technologie de catalyseur auto-générateur utilisant des oxydes à base de pérovskite a attiré beaucoup d'attention. Dans cette approche, le métal réside dans le support du catalyseur et migre vers la surface pour former des sites actifs catalytiques dans des conditions de réaction. Les particules métalliques qui émergent se lient fortement avec le support, supprimant efficacement le dépôt de carbone. En conséquence, par rapport aux catalyseurs nickel conventionnels, les catalyseurs auto-générateurs peuvent maintenir les performances sur le fonctionnement à long terme.
L'équipe de recherche a optimisé la force de liaison interatomique pour développer un catalyseur auto-générateur qui fonctionne de manière stable même dans les conditions à haute température des réactions de réforme à sec. En utilisant ce catalyseur, la même quantité de syngas peut être produite avec seulement environ 3% du nickel requis par les catalyseurs conventionnels.
Dans les catalyseurs auto-générateurs, plus il est facile pour les éléments métalliques internes de migrer vers la surface, plus la vitesse de réaction est rapide. Cependant, le support d'oxyde de pérovskite basé sur le lanthane manganite (Lamno₃), utilisé dans cette étude, avait de fortes liaisons interatomiques, ce qui rend difficile pour les particules de métal internes d'émerger. Pour y remédier, l'équipe de recherche a substitué les ions de lanthane (La³⁺) dans le support de l'oxyde avec les ions calcium (CA²⁺), réduisant la résistance à la liaison interatomique et permettant à une plus grande quantité de nickel de migrer vers la surface du catalyseur.
Cependant, l'équipe a constaté que l'ajout d'une quantité excessive de calcium pourrait entraîner l'effondrement de la structure de la pérovskite, entraînant une stabilité et une activité de catalyseur réduit. Sur la base de cette constatation, ils ont déterminé la plage optimale de substitution de calcium et ont réussi à développer un catalyseur auto-générateur qui fonctionne de manière stable tout en offrant une résistance élevée au dépôt de carbone et une forte activité de réforme.
Par rapport aux catalyseurs conventionnels, le catalyseur nouvellement développé ne nécessitait qu'environ 3% du nickel pour produire la même quantité de syngas. De plus, contrairement aux catalyseurs conventionnels, dont les activités sont facilement réduites par l'agglomération et la coke, le nouveau catalyseur a maintenu de manière stable une efficacité de conversion élevée pendant 500 heures de fonctionnement à long terme à 800 ° C, sans signe de dépôt de carbone – constatant sa durabilité exceptionnelle.
Le Dr Kim, le chercheur principal, a déclaré: « La technologie de catalyseur auto-générateur est une innovation révolutionnaire qui résout non seulement les problèmes de désactivation des catalyseurs principalement par le dépôt de coke de catalyseurs nickels conventionnels, mais réduit également considérablement les coûts des matières premières et des processus de réaction. »
Le Dr Choi, auteur de co-corresponding de l'article, a déclaré: « Ce travail est très significatif car il a obtenu une technologie de base applicable non seulement aux réactions de réforme à sec mais aussi à un large éventail de processus de réforme des hydrocarbures, d'électrolyse d'eau à haute température (SOEC) et d'autres systèmes de conversion d'énergie de nouvelle génération. »
