Les chercheurs ont annoncé que des atomes de palladium individuels attachés à un catalyseur peuvent éliminer efficacement 90 % du méthane non brûlé des gaz d’échappement des moteurs à gaz naturel à basse température. Cette catalyse innovante à un seul atome pourrait potentiellement réduire les émissions de méthane, un important gaz à effet de serre.
Les chercheurs démontrent un moyen d’éliminer le puissant gaz à effet de serre des gaz d’échappement des moteurs qui brûlent du gaz naturel.
Un nouveau catalyseur utilisant des atomes de palladium simples peut éliminer efficacement 90 % du méthane non brûlé des gaz d’échappement des moteurs au gaz naturel, ce qui pourrait contribuer de manière significative à la réduction des émissions de gaz à effet de serre. D’autres recherches sont en cours pour faire progresser la technologie et se rapprocher de la commercialisation.
Révolutionner le contrôle des émissions de méthane : une nouvelle approche catalytique
Des atomes de palladium individuels attachés à la surface d’un catalyseur peuvent éliminer 90% du méthane non brûlé des gaz d’échappement des moteurs à gaz naturel à basse température, ont rapporté des scientifiques le 20 juillet dans le journal Catalyse naturelle.
Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires, ont-ils déclaré, les progrès de la catalyse à un seul atome ont le potentiel de réduire les émissions de gaz 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 résultats prometteurs pour toutes les températures de fonctionnement du moteur
Des chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie et de l’Université de l’État de Washington ont montré que le catalyseur éliminait le méthane des gaz d’échappement des moteurs à la fois aux températures plus basses où les moteurs démarrent et aux températures plus élevées où ils fonctionnent le plus efficacement, mais où les catalyseurs se décomposent souvent.
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
« 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 l’un des quatre auteurs principaux sur le papier.
Lutte contre les émissions de méthane des moteurs au gaz naturel
Les moteurs fonctionnant au gaz naturel alimentent 30 à 40 millions de véhicules dans le monde et sont populaires en Europe et en Asie. L’industrie du gaz naturel les utilise également pour faire fonctionner des compresseurs qui pompent le gaz 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 les 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’aujourd’hui pour l’élimination du méthane sont soit inefficaces à des températures d’échappement plus basses, soit ils se dégradent sévèrement à des températures plus élevées.
L’impact économique et environnemental du catalyseur
« 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, scientifique du SLAC et codirecteur du SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis du laboratoire, qui est géré conjointement avec l’Université de Stanford. « Si vous pouvez éliminer 90 % du méthane des gaz d’échappement et maintenir la réaction stable, c’est formidable. »
Un catalyseur avec des atomes uniques du métal chimiquement actif dispersés sur un support utilise également chaque atome du métal cher et précieux, a ajouté Wang.
« Si vous pouvez les rendre plus réactifs », a-t-il déclaré, « c’est la cerise sur le gâteau ».
Le rôle du monoxyde de carbone dans l’efficacité du catalyseur
Dans leurs travaux, les chercheurs ont montré 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 également 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 se séparaient en atomes uniques et se redispersaient, de sorte que le catalyseur était thermiquement stable. Ce processus réversible a permis au catalyseur de fonctionner efficacement et d’utiliser chaque atome de palladium pendant toute la durée de fonctionnement du moteur, y compris lorsqu’il a démarré à froid.
« Nous avons vraiment pu trouver un moyen de maintenir le catalyseur au palladium supporté stable et hautement actif et, grâce à l’expertise diversifiée de l’équipe, de comprendre pourquoi cela se produisait », a déclaré Christopher Tassone, scientifique du personnel du SLAC.
Directions futures
Les chercheurs travaillent à faire progresser la technologie des catalyseurs. Ils aimeraient mieux comprendre pourquoi le palladium se comporte d’une certaine manière alors que d’autres métaux précieux comme le platine agissent différemment.
La recherche a encore du chemin à faire avant d’être mise à l’intérieur d’une voiture, mais les chercheurs collaborent avec des partenaires de l’industrie ainsi qu’avec le Pacific Northwest National Laboratory du DOE pour rapprocher le travail de la commercialisation.
Avec Wang, Abild-Pedersen et Tassone, Dong Jiang, associé de recherche principal à la Voiland School de la WSU, a également dirigé les travaux. Les travaux ont été financés par le DOE Office of Science et comprenaient des recherches menées au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du SLAC, à l’Argonne National Laboratory’s Advanced Photon Source (APS) et au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), qui sont tous Installations des utilisateurs du Bureau des sciences du DOE.
