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Visualisation des réactions chimiques
Les chercheurs de l'EPFL Valais Wallis ont développé un système de réacteur et une méthode d'analyse qui leur a permis d'observer pour la première fois la production en temps réel de gaz naturel synthétique à partir de CO2 et de H2.
La thermographie infrarouge (IR) est utilisée pour déterminer la température des personnes et des objets avec une grande précision et sans interférer avec le système. Une seule image prise avec une caméra IR peut capturer la même quantité d'informations que des centaines ou des millions de thermocouples (capteurs de température) à la fois. De plus, les caméras IR modernes peuvent atteindre des fréquences d'acquisition rapides de plus de 50 Hz, ce qui permet d'étudier les phénomènes dynamiques avec une haute résolution.
Aujourd'hui, les scientifiques de l'EPFL Valais Wallis ont conçu un réacteur qui peut utiliser la thermographie IR pour visualiser les réactions dynamiques de surface et les corréler avec d'autres méthodes d'analyse rapide des gaz afin d'obtenir une compréhension globale de la réaction dans des conditions changeant rapidement. La recherche a été menée par Robin Mutschler et Emanuele Moioli au laboratoire d'Andreas Züttel (EPFL et Empa) et ils ont collaboré avec des chercheurs de l'Université polytechnique de Milan.
Les scientifiques ont appliqué leur méthode à des réactions de surface catalytiques entre le dioxyde de carbone et l'hydrogène, dont la réaction de Sabatier, qui peut être utilisée pour produire du méthane synthétique à partir d'énergie renouvelable en combinant le CO2 de l'atmosphère et l'H2 de la division de l'eau, permettant ainsi la synthèse de carburants synthétiques renouvelables ayant des propriétés similaires à leurs homologues fossiles ; c'est pourquoi la réaction de Sabatier a beaucoup attiré l'attention récemment. Un catalyseur est nécessaire dans la réaction de Sabatier pour activer le CO2 relativement inerte en tant que réactif.
Les chercheurs de l'EPFL Valais Wallis se sont en particulier concentrés sur l'étude des phénomènes de réaction dynamique qui se produisent lors de l'activation de la réaction à partir de différents états initiaux du catalyseur.
"La réaction sur le catalyseur est favorisée par une surface hydrogénée, tandis qu'une exposition au CO2 empoisonne le catalyseur et inhibe une activation rapide de la réaction", explique Mutschler.
" Grâce à cette nouvelle approche, nous avons pu visualiser de nouveaux phénomènes de réaction dynamique jamais observés auparavant ", dit Moioli.
Dans leurs travaux, ils ont montré pour la première fois en temps réel le fonctionnement du catalyseur et sa réaction aux changements de la composition du gaz d'alimentation et pendant son activation à partir de différents états initiaux. Grâce à leurs résultats, le démarrage de la réaction et le comportement d'activation sont maintenant mieux compris et cela peut conduire à des conceptions optimisées de réacteurs et de catalyseurs pour améliorer la performance de ces systèmes de réacteurs travaillant dans des conditions dynamiques.
Ceci est crucial car les énergies renouvelables fournissent généralement de l'énergie et des réactifs de manière stochastique et donc les réacteurs convertissant les énergies renouvelables en combustibles doivent être adaptés pour travailler dans des conditions dynamiques dans certaines circonstances.
Autres contributeurs
Empa Sciences des matériaux et technologie
Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS)
Robin Mutschler, Emanuele Moioli, Kun Zhao, Loris Lombardo, Emad Oveisi, Alessandro Porta, Leonardo Falbo, Carlo Giorgio Visconti, Luca Lietti, and Andreas Züttel. Imaging catalysis: Operando investigation of the CO2 hydrogenation reaction dynamics by means of infrared thermography. ACS Catalysis 11 December 2019. DOI: 10.1021/acscatal.9b04475