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Catalyseur pour un gaz de synthèse durable
Aujourd'hui, presque tous les carburants, combustibles et plastiques sont basés sur des sources de carbone fossile telles que le pétrole, le gaz naturel ou le charbon. Partout dans le monde, on cherche des moyens de remplacer les hydrocarbures fossiles par des alternatives durables. Une des approches est la nouvelle synthèse de composés organiques à partir des matières premières nuisibles au climat que sont le méthane (CH4) et le CO2.
Dans un premier temps, les deux gaz à effet de serre doivent réagir l'un avec l'autre avec un apport énergétique. Cela produit un mélange gazeux d'hydrogène (H2) à haute énergie et de monoxyde de carbone (CO), connu sous le nom de gaz de synthèse.
Une équipe de recherche dirigée par Christoph Müller, professeur à l'ETH Zurich, et Alexey Fedorov, scientifique en chef, a maintenant mis au point un nouveau catalyseur qui permet de convertir le CO2 et le CH4 en gaz de synthèse à une échelle de grandeur plus efficace que les matériaux catalytiques précédents.
Le gaz de synthèse est une matière première importante pour l'industrie chimique: il peut être transformé en combustibles liquides synthétiques ou on peut en tirer du méthanol, qui sert à son tour de produit chimique de base pour la production de plastiques.
Très actif et stable
Le nouveau catalyseur est un carbure d'oxyde métallique très fin. Plus précisément: des films très fins de carbures métalliques, de quelques couches atomiques seulement, stabilisés sur un support d'oxyde. La réaction chimique du CO2 et du méthane pour former le gaz de synthèse a lieu au niveau de ces fines couches. Dans le processus, les carbures d'oxydes métalliques plats présentent une activité catalytique environ mille fois supérieure à celle de leurs prédécesseurs, les carbures métalliques à structure spatiale (appelés carbures massifs). En outre, les nouveaux catalyseurs se révèlent extrêmement stables.
«Les catalyseurs conventionnels à base de carbures métalliques ont la propriété défavorable de s'oxyder en présence de CO2 et de perdre ainsi leurs capacités réactives», explique Christoph Müller, professeur de sciences de l'énergie et de technologies énergétiques au département de génie mécanique et des procédés. Les nouveaux carbures d'oxydes métalliques n'ont pas cet inconvénient.
Fermer le cycle du carbone
La réaction catalytique du CO2 et du méthane pour former du gaz de synthèse est une étape importante dans la production de carburants et de produits chimiques de base respectueux du climat. Comme le CO2 peut être extrait de l'atmosphère et que seul le méthane provient de dépôts fossiles vieux de plusieurs millions d'années, ces combustibles et produits chimiques synthétiques auraient une empreinte carbone plus faible que les combustibles fossiles.
Cependant, il reste encore beaucoup de chemin à parcourir avant de pouvoir les utiliser à l'échelle industrielle. «Nous espérons que notre nouveau matériau catalytique deviendra une option intéressante pour la production de gaz de synthèse», déclare Alexey Fedorov, associé de recherche dans le groupe de Christoph Müller et co-auteur de l'étude.
Selon les scientifiques, le nouvel accélérateur de réaction pourrait notamment remplacer les coûteux catalyseurs à base de métaux précieux, par exemple ceux à base de ruthénium. Toutefois, en raison de leurs propriétés catalytiques, les carbures d'oxydes métalliques ultra-minces ont également le potentiel d'ouvrir de toutes nouvelles applications.