Pour de nombreuses applications industrielles, il a besoin de gaz de synthèse, également connu sous le nom de «syngas», un mélange d'hydrogène (H2) et le monoxyde de carbone (CO). En plus de la méthode de production établie via la réforme de la vapeur, le gaz de synthèse peut alternativement – et encore plus efficacement – être produit à partir de méthane (CH4) et l'oxygène.
Cependant, dans ce processus, l'oxydation totale (combustion) du méthane à CO2 et h2O doit être évité, c'est pourquoi il existe des recherches approfondies sur la production de Syngas dans le monde.
Les catalyseurs contenant des éléments tels que le palladium sont utilisés à cette fin. Jusqu'à présent, cependant, il ne savait pas exactement comment la conversion du méthane en Syngas se déroule sur les surfaces du palladium.
Grâce à une collaboration entre Tu Wien et à l'Université nationale de Singapour (NUS), il a maintenant été possible d'observer le processus en utilisant la microscopie électronique à transmission haute résolution – par l'opérande de soi-disant – combiné avec des simulations de calcul.
Les résultats, publiés dans la revue Science avancéeMontrez que la réaction nécessite une synergie entre différentes régions de catalyseur.
Palladium et oxyde de palladium
« Le méthane est la principale composante du gaz naturel. Aujourd'hui, nous ne l'utilisons pas seulement pour le chauffage – ce qui est problématique pour des raisons de réchauffement climatique, mais aussi comme une matière première pour produire des produits chimiques et des carburants », explique le professeur Günther Rupprechter de l'Institut de chimie des matériaux à Tu Wien.
« Même à l'avenir, le méthane jouera donc un rôle dans la génération de Syngas et ne peut probablement pas être complètement remplacé au cours de la prochaine décennie. »
C'est pourquoi les recherches intensives recherchent de nouveaux processus pour produire des syngas à partir de méthane plus efficacement tout en évitant la sur-oxydation, c'est-à-dire la combustion pour CO2 et l'eau. Ce processus est appelé « oxydation partielle du méthane » (POM). « Ces dernières années, nous avons étudié POM sur divers catalyseurs, dont la plupart étaient basés sur le nickel », explique Rupprechter.
Un microréacteur dans un microscope électronique
Il était déjà connu que les catalyseurs en nanoparticules métalliques fonctionnent bien. Mais la question ouverte était ce qui arrive exactement aux nanoparticules métalliques individuelles pendant la réaction catalytique.
« En particulier, nous voulions savoir: si la réaction est effectuée avec des nanoparticules de palladium, le palladium est-il lui-même responsable de la catalyse, ou oxyde de palladium, qui se forme pendant la réaction? »
Cette question pourrait désormais être abordée pour la première fois grâce à une combinaison d'approches avancées: l'équipe a observé les nanoparticules en temps réel pendant la réaction catalytique en utilisant la microscopie électronique à transmission à haute résolution.
Dans le même temps, la spectrométrie de masse a été utilisée pour surveiller quels produits se forment à ce moment-là – et tout cela a été complété par des simulations informatiques. Cette combinaison a permis, pour la première fois, pour la première fois d'obtenir une image mécaniste plus précise du processus.
Comment fonctionne le catalyseur?
Alexander Genest de l'équipe Tu Wien, qui était auparavant affilié au A * Star High Performance Computing Center à Singapour, a maintenu la collaboration entre Tu Wien et Singapour au fil des ans.
« En utilisant la modélisation informatique, nous avions déjà examiné l'oxydation des nanoparticules PD et l'oxydation du CO, de sorte que l'extension de l'oxydation du méthane était une cible très prometteuse », explique Alexander Genest.
Avec Ph.D. Le candidat Parinya (Lewis) Tangpakonsab, il a effectué des simulations basées sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) pour étudier l'activation du méthane et les étapes de réaction ultérieures.
« Nous voulions comprendre l'origine de l'oxydation partielle et totale et clarifier exactement ce qui se passe au niveau atomique », explique Tangpakonsab.
Métal et oxyde: réussi uniquement en combinaison
Le résultat a été plus complexe que prévu: ni le métal ni l'oxyde métallique seuls n'est responsable de la catalyse – la meilleure performance ne vient des deux en travaillant ensemble.
« Les deux phases prennent des tâches différentes », explique Rupprechter. « Le palladium se déshydrogéne du méthane au carbone et à l'hydrogène, tandis que l'oxyde de palladium oxyde le carbone en co. » Cela signifie que la catalyse la plus efficace peut avoir lieu uniquement dans les régions limites entre le palladium et l'oxyde de palladium.
« Notre groupe a déjà été très actif dans la microscopie électronique des réactions d'oxydation de surface dans le passé, mais cette nouvelle étude d'opérando-TEM étend ce travail aux conditions industrielles … nous aurons bientôt des cellules de réacteur spécial également disponibles chez Tu Wien pour un examen d'opérando-TEM similaire », explique Rupprechter, directeur de recherche des MEC.
