Une nouvelle méthode pour convertir le gaz méthane en carburant liquide révélée

Un groupe de chercheurs a réussi à convertir le méthane en méthanol en utilisant des métaux de transition légers et dispersés comme le cuivre dans un processus connu sous le nom de photo-oxydation. Selon un article rendant compte de l’étude publiée dans Communication chimiques, la réaction était la meilleure obtenue à ce jour pour la conversion du méthane gazeux en combustible liquide dans les conditions ambiantes de température et de pression (respectivement 25 °C et 1 bar).

Le terme bar en tant qu’unité de pression dérive du mot grec désignant le poids (baros). Un bar équivaut à 100 000 Pascals (100 kPa), ce qui est très proche de la pression atmosphérique standard au niveau de la mer (101 325 Pa).

Les résultats de l’étude constituent une étape importante dans la mise à disposition du gaz naturel comme source d’énergie pour la production de carburants alternatifs à l’essence et au diesel. Bien que le gaz naturel soit considéré comme un combustible fossile, sa transformation en méthanol émet moins de dioxyde de carbone (CO2) que les autres combustibles liquides de la même catégorie.

Au Brésil, le méthanol joue un rôle clé dans la production de biodiesel et dans l’industrie chimique, qui l’utilise pour synthétiser de nombreux produits.

De plus, la capture du méthane de l’atmosphère est cruciale pour atténuer les effets néfastes du changement climatique, car le gaz a 25 fois le potentiel du CO2, par exemple, pour contribuer au réchauffement climatique.

« Il y a un grand débat dans la communauté scientifique sur la taille des réserves de méthane de la planète. Selon certaines estimations, ils pourraient avoir le double du potentiel énergétique de tous les autres combustibles fossiles combinés. Dans la transition vers les énergies renouvelables, nous devrons exploiter tout ce méthane à un moment donné », a déclaré Marcos da Silva, premier auteur de l’article, à l’Agência FAPESP. Silva est doctorante au Département de physique de l’Université fédérale de São Carlos (UFSCar).

L’étude a été soutenue par la FAPESP via deux projets (20/14741-6 et 21/11162-8), par le Conseil supérieur de la recherche (CAPES, agence du ministère de l’Éducation nationale) et par le Conseil national de développement scientifique et technologique (CNPq, antenne du ministère de la Science, de la Technologie et de l’Innovation).

Selon Ivo Freitas Teixeira, professeur à l’UFSCar, directeur de thèse de Silva et dernier auteur de l’article, le photocatalyseur utilisé dans l’étude était une innovation clé. « Notre groupe a innové de manière significative en oxydant le méthane en une seule étape », a-t-il déclaré. « Dans l’industrie chimique, cette conversion passe par la production d’hydrogène et de CO2 en au moins deux étapes et dans des conditions de température et de pression très élevées. Notre succès à obtenir du méthanol dans des conditions douces, tout en dépensant moins d’énergie, est un grand pas en avant.

Selon Teixeira, les résultats ouvrent la voie à de futures recherches sur l’utilisation de l’énergie solaire pour ce processus de conversion, réduisant potentiellement encore son impact sur l’environnement.

Photocatalyseurs

En laboratoire, les scientifiques ont synthétisé du nitrure de carbone cristallin sous forme de polyheptazine imide (PHI), en utilisant des métaux de transition non nobles ou riches en terre, en particulier le cuivre, pour produire des photocatalyseurs actifs à lumière visible.

Ils ont ensuite utilisé les photocatalyseurs dans des réactions d’oxydation du méthane avec du peroxyde d’hydrogène comme initiateur. Le catalyseur cuivre-PHI génère un volume important de produits liquides oxygénés, notamment du méthanol (2 900 micromoles par gramme de matière, soit µmol.g-1 en quatre heures).

« Nous avons découvert le meilleur catalyseur et d’autres conditions essentielles à la réaction chimique, comme l’utilisation d’une grande quantité d’eau et seulement une petite quantité de peroxyde d’hydrogène, qui est un agent oxydant », a déclaré Teixeira. « Les prochaines étapes consistent à mieux comprendre les sites de cuivre actifs dans le matériau et leur rôle dans la réaction. Nous prévoyons également d’utiliser directement l’oxygène pour produire du peroxyde d’hydrogène dans la réaction elle-même. En cas de succès, cela devrait rendre le processus encore plus sûr et économiquement viable.

Un autre point que le groupe continuera d’étudier concerne le cuivre. « Nous travaillons avec du cuivre dispersé. Lorsque nous avons écrit l’article, nous ne savions pas s’il s’agissait d’atomes isolés ou d’amas. Nous savons maintenant qu’il s’agit de grappes », a-t-il expliqué.

Dans l’étude, les scientifiques ont utilisé du méthane pur, mais à l’avenir, ils extrairont le gaz à partir d’énergies renouvelables telles que la biomasse.

Selon les Nations Unies, le méthane a jusqu’à présent causé environ 30% du réchauffement climatique depuis l’ère préindustrielle. Les émissions de méthane provenant de l’activité humaine pourraient être réduites jusqu’à 45 % au cours de la prochaine décennie, évitant ainsi une hausse de près de 0,3 °C d’ici 2045.

La stratégie de conversion du méthane en combustible liquide à l’aide d’un photocatalyseur est nouvelle et non disponible commercialement, mais son potentiel à court terme est important. « Nous avons commencé nos recherches il y a plus de quatre ans. Nous avons maintenant de bien meilleurs résultats que ceux du professeur Hutchings et de son groupe en 2017, ce qui a motivé nos propres recherches », a déclaré Teixeira, faisant référence à une étude publié dans la revue La science par des chercheurs affiliés à des universités aux États-Unis et au Royaume-Uni, et dirigé par Graham Hutchings, professeur à l’Université de Cardiff au Pays de Galles.

Référence: Silva MAR da, Gil JC, Tarakina NV, et al. Photooxydation sélective du méthane en méthanol dans des conditions douces favorisée par des atomes de Cu hautement dispersés sur des nitrures de carbone cristallins. Chim Commun. 2022;58(53):7419-7422. doi : 10.1039/D2CC01757A

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